中国科学院院士都有为：磁性材料进展
- 来源：
- 2016-12-07 15:16:19
地球有个大磁场，它是地球的保护层。假如没有这个磁场，宇宙的高能量磁就会不断干扰地球，使得地球的生物圈都不能存在。
首先讲磁性材料的基本概念。磁性材料是基础性功能材料。从人类历史的产业发展来看，第一次产业革命靠蒸汽机；第二次产业革命靠电气化，发电机、电动机主要是通过改变磁场产生动力，因此第二次产业革命与磁电紧密相关。第三次产业革命以计算机、原子能为主，表明看与磁无关，但是信息的存储靠磁盘，工业领域要用到多种软磁材料、永磁材料。第四次产业革命以纳米科技为主导，其中包括纳米磁性材料。
我们为什么要重视产业革命？因为差不多每隔100年的产业革命是重新洗牌的机会，抓住产业革命的机遇，则可能从落后国家变成先进国家。20世纪70年代重视微电子技术的国家，如今都已成为发达国家。现在重视纳米科技的国家，很可能成为下一世纪的先进国家。习近平主席在两次院士报告会上都提到创新问题，提出科技是国家创新之基，创新是民族进步之魂。科技是国之利器，国家赖之以强，企业赖之以赢，人民生活赖之以好。
我们抓住产业革命，依靠创新跳出危机就是赢家。中国制造2025，甚至制造2050规划都出来了，这些都与磁有关。互联网、大数据、云计算首先要把数据储存起来，数据靠什么存？现在靠磁盘，但磁盘也快要淘汰了。后摩尔时代芯片是什么，很可能就是磁性材料。
磁性大体上分为三大类，第一类是永磁材料，第二类是软磁材料，第三类是硬磁材料。原来的磁盘以后要被淘汰，变成固态储存系统，现在用在磁盘上的永磁产量马上就减少。我们要抓住这个机遇，把芯片市场在中国建立起来。芯片是现代化的心脏，我们必须要控制。否则，芯在国外，国外一卡，我们的心脏就会停止跳动了。这是一个大机遇，国外的发展势头很猛，我们的差距也很大。
2014年中国稀土永磁产量12万吨，超过全球85%，国外没办法与我们竞争。但是我们无法穿过他们的专利壁垒。全世界磁性材料生产量有多少吨，按照全世界65亿人计算，平均每人每年用到多少磁性材料。这个统计数据的意义在于，假如每人磁性材料的用量大于平均数，意味着你是发达国家，假如低于平均数，你就是欠发达国家或是发展中国家。
其次讲磁滞回线表征的磁性材料。主要有永磁、软磁和磁记录，现在我主要讲永磁和软磁。
永磁材料最主要的是碳钢、铁氧体和稀土永磁。全世界主要永磁材料的产量在增加。现在永磁有一个新进展是把软磁和永磁两个复合，这在很多方面都有了新的成果。稀土永磁的最高性能理论是达到93%，经过三代进步很大，目前第四代的永磁还没有研发出来。永磁电机的应用很广，平时我们使用的轿车有30多处都要用到永磁、软磁材料，用得越多说明车的自动化水平越高，我们坐着很舒服，但你不知道这个舒服是磁性材料带来的。另外风力发电也是用永磁发电机，风力发电机3MW的需要1.5吨的稀土永磁。
下面讲软磁。所有的通讯都要用到软磁材料，从低频到高频整个谱都要用到软磁材料。颗粒表面包覆有机、无机粘接剂。到纳米阶段它的性能大大提高了。铁粉芯软磁材料，最早是上世纪日本做出来的，这种铁粉芯的基本特征，直流偏置特性好，较高饱和磁感应强度，磁导率频率特性线性度好。做成纳米颗粒甚至可以到几兆赫的频段。总的来讲，低密度向高密度发展，平时大家用的都是闪盘，闪盘比较便宜，但性能不稳定。20世纪80年代以后，计算机的性能大大提高，价格下降的原因在于把信号读出来的磁头，现在用了锯齿电阻效应，这是欧洲最先发现的，并且得到2007年诺贝尔物理学奖。
第三讲交叉耦合效应的磁性材料。其中有超材料、高温磁制冷材料、自旋电子学等。磁与生物、化学紧密结合，磁性材料是一个应用范围很广的材料。比如磁场对小动物的影响，把小白鼠注入病毒以后，发现经过磁疗以后活蹦乱跳，但没有经过磁疗的就死了。磁与生物体是很值得研究的，现在到医院里第一怕开刀，第二怕化疗，将来磁疗值得试一试。
下面我重点介绍一下自旋电子学。法国科学家阿尔贝·费尔和德国科学家彼得·格林贝格尔因分别独立发现巨磁阻效应而共同获得2007年诺贝尔物理学奖。诺贝尔奖只奖给原始发明，并且这个原始发明是偶然发现的，没想到副产品得诺贝尔奖，正产品没有得诺贝尔奖。在多层中增加一层，这些都是很普通的材料，但纳米组合以后可以出新的东西。
自旋电子学不但与磁有关，与半导体也有关。本来半导体是不带磁的，一听到磁都害怕，但现在要利用磁，怎么把磁铁放到半导体里面去，以前是用外加电厂控制电荷，现在还可以控制磁旋的转向。电磁朝上朝下有两个状态，可以被计算机使用，现在可以不用磁场来控制，可以磁化电流，用这个办法可以变成0和1，就可以在计算机中得到应用。
摩尔定律大概到2020年以后结束，现在的半导体芯片还能维持一段时间，但在未来的进程当中可能会趋于萎缩。以后可以把磁盘与芯片合二为一，不需要有磁盘了，一个芯片里面可以有很大的容量。自旋芯片大致上经过三个发展阶段。第一个阶段是2006年前，采用电流重合法产生的磁场调控自旋，2006年后采用极化电流调控自旋，STT-MRAM，自旋与膜面平行与垂直二类。第三个阶段是目前研发电厂调控自旋MeRAM。
国外发展情况，2013年欧洲A350飞机采用自旋芯片控制系统，今年IBM联手三星公司宣布批量生产STT-MARM芯片。日本东北大学预计到2020年MRAM全球需求可望达到900亿美元。半导体自旋电子技术很可能引起信息技术革命性变革，成为引领未来新一代微电子技术，创造新的信息时代。未来运算、存储、通信三个功能都将集成在单个芯片上，从而形成功能强大、超高速、低功耗、抗辐射的全新的芯片。多学科交叉是今后发展的总趋势。
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