【原】磁体技术|采用CoFe2C材料，美国能源部实现5纳米大小永久纳米磁体

美国能源部支持的弗吉尼亚联邦大学研究团队研制出小至5纳米（约是一只蚂蚁的100万分之一）、可工作于室温、具备良好热稳定性、基于CoFe₂C纳米磁粒子的纳米磁体，具有可与部分稀土磁体相比的磁性，磁性达到同尺寸磁体的最强等级。

理论演进

1932年范弗莱克完成了物质顺磁性和抗磁性的量子理论（因此获得1977年的诺贝尔物理学奖）。但直到1999年，由美国能源部基础能源科学办公室支持一项的研究才证实密度泛函理论（DFT）可以精确预测分子尺度系统的磁强度。到2007年，数个研究团队确认了这些理论。今天已可计算出这些纳米级存储器抗化学和电磁的能力是多少。

主要障碍

计算机存储器的基础是普通铁基磁体，要减少普通铁基磁体的尺寸，通常会降低粒子存储信息所需的温度。而阻止纳米磁体发展的最大问题之一是，粒子尺寸小意味着磁各向异性也小。

具有较大的磁各向异性对纳米粒子至关重要，因为可以阻止磁矩的波动，否则将限制这些粒子在存储器及很多其他领域的应用。因为，为了实现应用，在减小纳米磁体体积的同时，必须实现较大磁各向异性和热稳定性。

技术细节

研究人员将对带有混合的CoxC和FexC碳化物相的CoFe₂C纳米粒子进行了理论计算，发现能够满足要求。然后，成功合成了CoFe₂C粒子，带有理论计算所应具备的性能。

新合成的粒子具有高达790K的热稳定性，因此可以存储更多信息；可小至5纳米；具有磁各向异性（4.6±2x10⁶J/m³），是钴（cobalt）粒子的十多倍，可与部分稀土磁体相比，是目前创造出的磁性最强的永磁体。

左边是CoFe₂C棒能量过滤图，展示了碳要素

右边是CoFe₂C结构的理论图，展示了边界分子轨道

意义

下一代热稳定数据存储器件所需材料应具备超小尺寸、特定方向高磁性。最新研究出的CoFe₂C纳米粒子很好地满足了上述要求，代表着数据存储器件的未来。

该长期基础研发工作由美国能源部科学办公室，基础能源科学办公室，化学科学、地球科科学和生物科学分部提供资金支持。

附加信息

范弗莱克量子理论正确处理了顺磁性和抗磁性的问题，揭示了他们之间的内在联系，指出了除去原子磁矩的取向效应外，还存在一个与温度无关的顺磁效应——范弗莱克顺磁性。

密度泛函理论是一种研究多电子体系电子结构的量子力学方法，主要目标就是用电子密度取代波函数做为研究的基本量，在物理和化学上都有广泛的应用，特别是用来研究分子和凝聚态的性质，是凝聚态物理和计算化学领域最常用的方法之一。