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本文主要采用数值计算的方法研究了具有广泛应用前途的磁性薄膜、磁性原子团等纳米磁体的磁化强度、相变、磁各向异性、磁电阻和磁化动力学等特性。重点改进和发展了MonteCarlo方法、微磁学方法、能量极小方法和矩阵计算方法。研究结果表明，表面效应和尺寸效应对纳米磁体的磁特性有重要的影响，由此引起了许多不同于块状材料的新性质，如表面磁矩增强、表面磁各向异性增强、阶梯效应和自旋重取向等；在磁性原子团中发现了组态各向异性；提出了一种隧穿磁电阻与原子团磁矩的相对取向、原子团的内在特性、库仑阻塞效应共作用的双层次模型；比较使用不同模拟方法获得的结果，发现它们之间有较好的吻合；模拟结果较好地解释了实验事实。本文研究目的是通过数值计算的方法探究在纳米磁体中不同寻常磁特性的物理起源，以期在新材料研究和设计中提供指导和帮助。本文共分四部分：
1.磁性薄膜的磁相变与自旋重取向1.1磁性薄膜的磁相变利用MonteCarlo方法和转移矩阵(TM)法研究了具有不同的表面交换耦合JS和薄膜厚度的磁性多层膜的表面和尺寸对磁相变的影响，以及最近邻以及次近邻原子交换作用及不同的表面最近邻自旋交换常数JS的体心立方结构的磁性薄膜磁特性。
模拟结果表明：(1)磁性薄膜的相变温度随薄膜层数的变化取决于JS/J(J为体内交换耦合)，当JS/J大于某一临界值时，由于表面磁有序先于体内磁有序，系统的相变温度随薄膜层数的增多而降低，反之，表面磁无序可与体内磁有序共存，系统的相变温度随薄膜层数的增多而升高；当JS/J较小时，随着JS增大，系统的居里温度缓慢升高，趋近于体内相变温度，而当JS/J较大时，随着JS增大，系统的居里温度呈线性升高。同时，通过MC和TM法计算获得了薄膜的表面、体内及总的磁相图。MC法的模拟结果与用转移矩阵法推导出的结果相当吻合，且很好地解释了实验事实。(2)当考虑次近邻交换作用时，磁性薄膜的磁相图变得更加复杂；相变温度(居里温度TC或奈尔温度TN)不仅取决于JS/JB(JB为体内最近邻自旋交换常数)还与次近邻交换常数的相对大小b=JSS/JS=JBB/JB(JSS、JBB分别为表面及体内次近邻自旋间交换常数)有很大关系；随着JS/JB的增大，相变温度增大。当系统的表面与体内相变温度相同时存在一临界值JS/JB(JC或JN)。当b值较小时，JC随b的增大而很快减小，且表面层层数越少JC减小得越快；而随着b的继续增大，JC缓慢减小并趋于恒定值，且表面层层数越少恒定值越大。而JN随b的变化关系与JC对称，其变化规律刚好相反。
1.2混合磁性薄膜的矫顽力与阶梯效应采用能量极小原理的微磁学及MonteCarlo方法对铁磁/反铁磁混合磁性薄膜的磁特性进行了模拟计算，研究了基态下系统的磁滞回线、自旋组态及铁磁交换作用常数JAA小单轴各向异性常数K、偶极相互作用常数D和铁磁性原子掺杂量X对矫顽力Hc的影响。同时还模拟计算了矫顽力Hc的温度特性。
模拟结果表明，在混合磁性薄膜中磁滞回线存在明显的阶梯效应，利用简单的Ising模型揭示这种阶梯效应主要起源于包含不同反铁磁原子的掺杂量的不同尺寸的原子团对外加磁场所产生不同响应；在基态下当0.5≤X≤1.0时矫顽力Hc随K、JAA的增大而增大，但随D增大而减小；Hc随X的变化存在极大值。这些结果很好地解释了具有反铁磁耦合的颗粒膜的实验事实。不同X下矫顽力随温度的变化规律可以用Tα律很好地描述，但α值随X却有复杂的变化。
1.3磁性薄膜的自旋重取向相变利用MonteCarlo方法和能量极小的方法模拟研究了包含交换相互作用、各向异性和偶极相互作用的L×L×LN磁性薄膜的自旋重取向行为。通过对系统的组态、磁分量、比热等随各向异性、偶极相互作用和温度的变化，获得了系统自旋取向由垂直向平行方向转变的相图。模拟结果表明，在超薄的磁性薄膜中可能存在铁磁有序、反铁磁有序、条形畴和无序态等，且薄膜尺寸对相图有重要的影响。通过比较，发现MonteCarlo方法和能量极小的方法获得的结果基本吻合。
2.磁性原子团的磁特性基于MonteCarlo模拟，计算了原子团的磁化强度、居里温度、磁滞回线、矫顽力、自然角和能量分布等磁性质。从计算结果可以看到，对于纯的铁磁性原子团，在低温(T＜0.5TC)下磁化强度的温度关系很好地满足T3/2律，且Bloch系数满足BS=3Bbulk，以及B值随原子数目的减少而急剧增加。这些结果与实验事实相当地吻合。同时，用近晶近似解释了Bloch指数律。采用有限尺寸效应可以描述居里温度的尺寸关系。在不同磁化过程中磁滞回线和自旋组态揭示了一种易磁化方向的存在以及起源于自旋组态的各向异性。对于具有零和非零单轴各向异性的原子团计算所得的热矫顽力与实验结果是一致的。拟合的自然角和能量分布进一步证实了原子团的组态各向异性的存在。
同时，还研究了自由磁性原子团磁性质的表面和尺寸效应，计算了不同尺寸的自由磁性原子团的平均磁矩随原子团的尺寸、形状和温度的变化。发现平均磁矩随原子团的尺寸大小的振荡变化行为不仅与配位数变化有关，而且与热涨落有关。比较了自由原子团和嵌于介质的磁性原子团的平均磁矩随温度的变化关系，发现它们之间存在明显的差异。同时，模拟结果和实验事实的比较表明两者较好地吻合。
3.纳米结构材料的隧穿磁电阻的MonteCarlo模拟提出了一种隧穿磁电阻与原子团磁矩的相对取向、原子团的内在特性、库仑阻塞效应共作用的双层次模型。基于MC模拟，我们研究了自旋组态、MR和电阻随温度的变化关系。模拟结果与我们最近测得的实验结果相吻合。MR的不同寻常的增加是因为原子团之间的相互作用和原子团的内在特性。尽管库仑阻塞效应对MR只有小的作用，但对低温下的电阻有很大的影响。
4.磁性薄膜的动力学相变和磁滞行为的标度理论基于平均场理论和MonteCarlo模拟，研究了2D和3DHeisenberg磁性薄膜的动力学相变。计算了不同尺寸的磁性薄膜的平均磁化强度分量、磁滞回线的面积、标度指数、及不同磁场、薄膜厚度、自旋空间取向数下弛豫时间。获得了2D和3D两种情况下Q≠0到Q=0(Q=1/τ∮M=dt)的动力学相图和标度指数α、β和γ。计算结果表明，(1)β、γ值随薄膜厚度增加而增加，而α值随薄膜厚度增加而减少；(2)在H0-T动力学相图中，随着外加交流磁场频率和薄膜厚度的减少，相界线向左移；(3)用弛豫时间与外加磁场的周期之间的竞争解释了相图；(4)比较从平均场理论和MonteCarlo获得的结果，发现它们之间是基本吻合的。