化學與磁性 (磁性特性與應用).

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1 化學與磁性 (磁性特性與應用)

2 磁性基本特性 磁性奈米線應用 化碩一 杜怡君 R

3 磁性物質 順磁性 反鐵磁性 反磁性 陶鐵磁性 鐵磁性

4 磁滯曲線 磁滯曲線 A C D E F B G

5 磁滯曲線 軟磁： 軟磁材料是指容易磁化與去磁的材料。因此材料的磁滯曲線必須很窄。 硬磁：
(磁滯損失小、渦流損失小、高導磁率、高飽和磁率) 硬磁： 硬磁材料在做過磁化處理後，磁性不易消失，可用來做為永久磁鐵使用。 (抗磁力大、殘存磁通密度)

6 金屬奈米線---鐵磁性 磁異相性 (magnetic anisotropy)
磁性物質中，影響磁滯曲線型狀最重要之因素為磁異向性。乃指物質內在能量隨自發磁化方向改變而變化之現象，此能量稱為磁異向能。 磁晶異向性 形狀異向性 應力異向性 誘導異向性

7 鐵磁性金屬奈米線之應用 磁性奈米線可作為高密度之磁性儲存媒介，磁記錄為運用磁性媒體磁滯特性以儲存訊號(資料)並重現之技術；西元1898年丹麥工程師Poulsen發明，最先用於聲音錄放。 在奈米尺度下，金屬內的電子運動會產生磁電特性，利用此特性加上選擇適當的高磁能積材料(硬磁材料)，可製造超高密度磁記錄媒體，金屬奈米線的另一特殊性質是巨磁阻特性，已被應用於磁性動態記憶體MRAM的設計上。

8 鐵磁性金屬奈米線之應用 磁記錄(稱為寫入)過程中，先將聲音、圖像、數位等資訊轉變為電信號，再透過記錄磁頭轉變為磁信號，磁記錄介質即將磁信號記錄於磁記錄介質材料中。取出記錄於磁記錄介質材料中之資訊時，僅須經過同寫入過程相反之步驟，即可讀出。 適當高矯頑力Hc 高飽和磁化強度Ms 高角形比 高穩定性

9 磁性奈米顆粒製備方式 化學氣相沉積法 微乳化法 化學三 翁乙壬 B

10 化學氣相沉積法 生產純度高、性能好的固態材料的化學製程 依不同反應形式及製程條件，CVD可再細分為：
超高真空化學氣相沉積（Ultrahigh Vacuum CVD, UHVCVD） 電漿輔助化學氣相沉積（Plasma-Enhanced CVD, PECVD） 有機金屬化學氣相沉積（Metalorganic CVD, MOCVD） 族繁不及備載

11 基本原理 CVD系統: 包含一個反應器、一組氣體傳輸系統、排氣 系統及製程控制系統

12 基本原理 五個主要步驟 界面邊界層:為流體及固體表面因流速、濃度或溫度等差異所形成 的過渡範圍 將含有氣相反應物之主氣流導入反應腔
反應物藉由擴散作用經過「界面邊界層」而到達基 板表面。 界面邊界層:為流體及固體表面因流速、濃度或溫度等差異所形成 的過渡範圍 反應物被「吸附」在基板上 吸附原子在基板表面遷徙，行化學反應，長成薄膜 反應之副產物及未反應之反應物被「吸解」，擴散 至界面邊界層，進入主氣流中，被排器裝置抽離

13 薄膜成長 反應物到達基板，發散縱向動量，吸附於板上 表面遷徙，原子碰撞，結合成原子團，「成核」 小原子團 →大原子團→核島
核島之間縫隙被填滿，變成完整的膜 副產物、未反應之反應物無法與基板鍵結，吸解， 被排出

14 微乳法 由兩種互不相溶之液體在界面活性劑的作用下，形成熱力學穩定的（thermodynamically stable）、各向同性（isotropic），外觀透明或半透明的液體分散體系。 種類:油包水型（water-in-oil, W/O）和水包油型（oil-in-water, O/W）

15 微乳液體系 水溶液: 有機溶劑: 界面活性劑: 助界面活性劑: 包含鹽類或其他可溶於水的物質 C6 ~ C8的直鏈烴或環烷烴
陰離子型（AOT）、陽離子型（CTAB）及非離子型（Triton X） 增加界面活性，降低油水界面張力，阻止微胞聚集而提高微 胞穩定性 助界面活性劑: 脂肪醇或胺類 降低界面張力、增加界面膜的流動性，及調整界面活性劑的 HLB值 (hydrophilic-lipophilic balance）

16 油包水型微乳液反應機制 微胞中心之水相空間（水核）為一奈米級空間 反應機制: 兩種微乳液混合 在微乳液中加入反應物（如還原劑或氣體）

17 微乳化法優缺點 優: 缺: 粒子表面包覆著界面活性分子，不易聚集而有較 好的穩定性
界面活性劑→「活性膜」，選擇適當的界面活性 劑，經過化學方法可對奈米粒子進行表面修飾 缺: 粒子大小及形狀較不一致 產率低 需使用大量溶劑

18 磁性奈米顆粒製備方式 化碩一 張毓娟 R

19 磁性奈米材料的化學製備方法

20 溶膠-凝膠法 (Sol-Gel) 溶膠 (sol) 係指粒徑介於1~100 nm 且均勻分散於溶劑中的固態膠體粒子，而凝膠 (gel) 則指膠體粒子在部分溶劑去除後所形成具半流動性的固體。 據此，溶凝膠法即泛指將均勻分散的膠體粒子交鏈化或將金屬前驅物經水解、聚縮合產生網狀結構物的製程。 水解與聚縮合反應的速率受起始原料種類與濃度、溶劑、觸媒、pH 值、溫度以及化學添加劑等因素所影響，可藉此控制溶膠粒子的大小及微結構。

21 沉澱法 沉澱法是藉由添加沉澱劑，將反應液中的金屬離子沉澱產生粉體的一種方法。
例如，具結晶態之四氧化三鐵(Fe3O4 ) 磁性奈米 粒子即可由亞鐵與鐵離子在鹼性溶液中的共沉澱 及後續在反應母液中的熱處理 ( 約80°C 、30 分 鐘 ) 而製得，其反應式如下所示 Fe 2+ +2Fe OH Fe3O4 +4H2O 圖1:以沉澱法製得之Fe3O4

22 沈澱法包括： 直接沈澱法是進行沈澱操作得到所需的氧化物顆粒。
均匀沈澱法是在金屬鹽溶液中加入沈澱劑溶液時，不斷攪拌，使沈澱劑在溶液裡緩慢生成，消除了沈澱劑的不均匀性。 共沈澱法是在混合的 金屬鹽溶液中添加沈澱 劑，即得到幾種組分均 匀的溶液，再進行熱分 解。

23 水熱法 水熱法或溶熱法是在高於水或溶劑正常沸點的加壓溶液下進行，主要設備為壓力釜 (autoclave)。由於高溫高壓的緣故，溶質的溶解度、擴散係數及反應性均明顯提高，反應也更容易進行。 水熱合成反應主要是一種 溶解、析出的程序，主要 包含水解和脫水兩步驟， 影響因素包括溫度、壓力 、反應物濃度、反應時間 、pH 值及添加劑等

24 化學還原法 用各種化學還原劑，在均勻溶液相中將金屬離子還原成金屬或金屬化合物奈米粉體的方法。還原劑的種類及濃度會影響還原速率，當還原速率遠大於核凝及粒子成長速率時，晶核數量大且可幾乎同時產生，有助於粒徑的減小與均一化。而為了避免粒子的凝聚及提高粒子的分散性與穩定性，保護劑的添加不可或缺。 還原劑的種類很多，常見的包括硼氫化物(NaBH4 , NaBEt3H , LiBet3H) 、聯氨(N2H4 )、醇類、醛類、有機酸，及少數的有機溶劑與界面活性劑等。

25 比較

26 氧化鐵奈米粒子 生物應用 可被外加磁場所操控 比表面積大 具有放熱的效果 化碩一 蘇怡帆 R

27 Ochratoxin A (OTA) 由青黴菌與麴菌所分泌的二次代謝物 常存在於穀製食品 當人體食入後有可能會造成器官、組織異常、腎病變等
傳統的分析方法需要耗費大量的時間及成本在檢測以及 樣品的前處理上 J. Chromatography A. 2007, 1159,250–255

28 合成 萃取探針的合成流程圖

29 Fe3O4 合成為 的磁性粒子反應流程圖

30 合成為 的磁性粒子反應流程圖

31 經由磁性奈米粒子萃取 OTA 及清洗非特異性吸附的實驗流程圖 偵測極限:10-8M

32 真實樣品中OTA含量與誤差值 32% 0.16 mg/L 2% 0.1189 mg/L 0.1385 mg/L 14% 18%

33 磁性材料 醫學上的應用 化博一 陳世毓 D

34 圖2-3-1 (核：殼)直徑比在表面電漿共振放射位移的影響。
超順磁氧化鐵 (superparamagnetic iron oxide, SPIO)[1] 超順磁性—金屬離子或有機自由基含有未成對電子 奈米尺寸，沒有縱向磁場，但所有自旋彼此排列成直線的單一磁場 →造成磁矩大增 →典型的例子為超順磁性氧化鐵 (SPIO) 金披覆順磁性氧化鐵以作為核磁 共振影像 (MRI)和脫落試劑 (ablation agent)。 由圖一可看出，隨 (核：殼) 比 例增加產生紅位移的現象。 圖2-3-1 (核：殼)直徑比在表面電漿共振放射位移的影響。 [1] Hartman, K. B.; Wilson, L. J.; Rosenblum, M. G. Molecular Diagnosis & Therapy, 2008, 12, 1.

35 磁性奈米粒子在藥物傳遞上的應用[2] Coating space Metabolic time anion Human 1 hr
圖2-3-3 霧化的奈米磁性藥物送入特定域。 表2-3-1 典型的對比試劑在血液中的半生期 Coating space Metabolic time anion Human 1 hr Starch 24-36 hrs Mice 2-3 hrs SPIOs 7 days 圖2-3-2 監控磁性藥物於血管內之特定目標。 [2] Plank, C. Trends in Biotechnology, 2008, 26(2), 59.

36 超順磁性氧化鐵在癌症治療上作為高熱試劑 [1]
圖2-3-4 比較(a)腫瘤樣品(b)樣品與0.1 wt％四氧化三鐵和(c)樣品加0.1 wt％披覆金的四氧化三鐵，置入1 cm深的乳房中，以NIR-TRS於波長788 nm激發，調節頻率在100 M Hz。黑色橢圓表示腫瘤樣品的尺寸和位置。箭頭標示最大吸收處差異。 圖2-3-5 人類乳癌腫瘤植入大鼠之金-奈米殼-間接光真皮脫落作用。(a)以奈米殼和近紅外光進行體內治療後雷射造成出血和組織移除病理解剖；(b)銀染觀察組織切片只是局部區域的奈米殼(紅色輪廓)；(c)以蘇木紫 (hymatoxylin) 和曙紅 (eosin)染色同一平面以觀察奈米殼破壞組織的範圍；同樣的(d)經核磁共振升溫成像(MRTI)，對a、b、c計算不可逆的升溫破壞區域。 [1] Jin, Z.; Hong, B.; Kakar, S. S., Kang K. A. Advances in Experimental Medicine and Biology, 2008, 614, 275.

37 圖2-3-6 錳-鋅亞鐵鹽奈米粒子在活體內的熱力學測試。
磁性奈米粒子在基因治療上的應用 [1] 圖2-3-6 錳-鋅亞鐵鹽奈米粒子在活體內的熱力學測試。 圖2-3-7 加熱誘導P1730OR (哺乳動物基因)β-半乳糖苷酶轉譯至SMMC-7721 (肝癌細胞)。 [1] Tang, Q. S.; Zhang, D. S.; Cong, X. M.; Wan, M. L.; Jin, L. Q. Biomaterials, 2008, 29(17), 2673.

38 結論 生醫上的應用 優點 核磁共振影像(MR I) 增加藥物的半生期 藥物傳遞 結合外加磁場，準確投藥 診斷及治療 高熱試劑治療 基因治療
顯微手術 優點 增加藥物的半生期 結合外加磁場，準確投藥 高熱試劑治療 同時扮演治療與傳送角色

39 磁性液體概述 化學三 梁哲銘 B

40 大綱 什麼是磁性液體 製配方法 磁性液體的物性 應用

41 什麼是磁性液體？ 磁性液體： 是將奈米級的磁性顆粒，經介面活性劑處理後，安定分散於水或有機溶液(載液)中。

42 磁性液體的製備 機械球磨法 真空冷凝法 化學共沉法 氣相沉積法 電化學法 雷射消熔法

43 球磨法 將材料與載液放置於球磨機中，經過長時間的研磨，將材料粉碎成奈米粒子，再加入適當的界面活性劑即可完成。

44 真空冷凝法 某些鐵磁性金屬的有機金屬錯合物易分解為金屬粉末，利用此一特性在真空加溫，使鐵磁性金屬揮發，再溶於事先調配好的介面活性劑與載液當中，儀器設計如圖：

45 化學共沉法 將含有鐵離子的溶液與氨、氫氧化鈉或離子交換樹脂等產生共沉積反應用以製造奈米級氧化物磁性顆粒，基本反應式如下：
M可為Fe、Co、Mn、Zn 等

46 磁性液體的物性 磁性質： 磁性液體成超順磁性，幾乎無磁滯現象 流體性質：
磁性液體是非牛頓流體，磁性液體的黏度將隨 著飽和磁化強度的增加而增加。 熱傳導性質： 磁性液體因含有金屬顆粒，其熱傳導性質較一 般流體為佳。

47 磁性液體的應用 阻尼器件： 利用磁性液體作為旋轉與線性阻尼器，以除去不需要的系統振盪，與一般阻尼物質相比，優點在於可籍助外磁場定位。 實例：
美國通用汽車在2003年內開始銷售新款跑車『凱迪拉克XLR』為了提高其行駛性能，在減震器中使用了通過在外加磁場下，粘性發生變化的磁性流體來控制衰減力的『Magnetic Ride Control』

48 (Magnetoresponses)特性
磁性材料─EuNbO2N (Magnetoresponses)特性 化博一 葉巧雯 D

49 Ferroelectric and Magnetic Materials
Perovskite YMnO3 EuNbO2N (a = (2) Å , c = (3) Å )

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52 Conclusions EuNbO2N

53 磁性陶瓷材料介紹 立方晶系磁性陶瓷 六方晶系磁性陶瓷 旋磁鐵氧磁體 矩磁鐵氧磁體 壓磁鐵氧體 化學三 吳信璋 B

54 立方晶系磁性陶瓷 具有反尖晶石晶體結構的鐵氧磁體為主，化學 通式可表示為 MFe2O4（或 MO．Fe2O3）。 這類軟磁性鐵氧磁體常被應用來製作變壓器磁 蕊、濾波器元件、隨身聽或磁碟機的讀取頭等 材料。另外電視機裡頭的映像管偏向軛

55 六方晶系鐵氧磁體 以六方晶系為主，其化學通式為 MFe12O19或 MO．6Fe2O3，可依照不同的製程，製成等向 性或異向性的磁性體。保磁的性質常被應用在 電腦硬碟裡，由於其優良的磁性質再配合奈米 科技的發展、塗布技術的進步，使得硬碟儲存 的容量越來越大、體積卻越來越小。

56 旋磁鐵氧磁體 具有高旋磁性和高電阻率的旋磁鐵氧磁體材料 ，能使作用於它的電磁波發生一定角度的偏轉 ，旋磁鐵氧體主要用來製作各類微波元件，因 此，又被稱為微波鐵氧磁體。利用此性質，可 製成各種元器體，如衰減器、調製器和環行器 、隔離器、回相器以及倍頻器、混頻器、放大 器等等。

57 矩磁鐵氧磁體 具有矩形磁滯迴線的磁性材料，一般來說，密 度高，晶粒均勻的尖晶石型鐵氧體均可製成矩 磁鐵氧體。矩磁鐵氧磁體可應用於電子電腦上 的記憶元件，邏輯元件，磁光存儲器和磁聲存 儲器等等。

58 壓磁鐵氧磁體 在外力作用下可產生磁致伸縮效應的材料 ，由於這種特性，可使材料在受到外力作 用時產生一相對的感應磁場，常應用在超 聲工程。可用作超聲發生器、接收器、探 聲器和聲納等；在計算計中作各類存儲器 ；在電訊方向作濾波器，穩頻器振盪器等 等。

59 Walkman之必備品 化學三 卓育泯 B

60 你不能不知道!!! MP3耳筒內的磁性物質，會干擾心臟起搏器和 除顫機，隨時引致心臟病人心跳停止，甚至猝 死！--內藏磁性物質會干擾起搏器除顫機 耳筒內藏一種名為「neodymium」的磁性物質， 可產生二百個磁通密度（gauss）的磁力，一般 心臟起搏器只可承受十個磁通密度的磁力

61 耳機怎麼運作呢?? 振膜 磁路中的線圈 阻抗 導線

62 耳機的進化 動鐵式電聲換能器 動圈式電聲換能器 等磁式電聲換能器 壓電式電聲換能器 靜電式電聲換能器 駐極體電聲換能器

63 耳掛式 耳機的種類 藍芽 耳罩式 入耳式

64 耳機小知識 為什麼MP3不需要天線就可以收聽電台呢?? AM，FM廣播電台的差別?? 那種耳機比較不會傷害聽力??

65 Thanks for your attention!

66 補充 薄膜成長 例子 微乳法 例子

67 薄膜成長 例子 電漿輔助化學氣相沉積（PECVD） 合成FePt磁性奈米膜：
前驅物：ferrocene for Fe, (methylcyclopentadienyl)trimethyl platinum for Pt Jpn. J. Appl. Phys. 2006, 45,8302–8307

68 例子 定性實驗: 實驗結果: 粒子型態: transmission electron microscope
磁性性質: magneto-optical Kerr effect 實驗結果: 兩種顆粒: 奈米尺寸且獨立 小顆粒聚集而成的大顆粒

69 例子 Plasma discharge duration vs. particle size and density
Time ↑，density ↑，particle size↑

70 例子 Reaction time and temperature vs. hysteresis loop Time ↑，
loop↑≡ hard magnet ↑ Temperature ↑， 左：反應時間固定（30分鐘），反應溫度由上至下分別為(a) 750, (b) 650, (c) 550℃。 右: 反應溫度固定(650℃)，反應時間由上至下分別為(a) 8, (b) 4, (c) 2分鐘。磁滯曲線是在室溫下測量。

71 微乳法 例子 油包水製造4~15 nm的MnFe2O4奈米粒子 體系： 水：含Mn(NO3)2 及Fe(NO3)3
油：toluene(大量) Surfactant: sodium dodecylbenzenesulfonate (NaDBS) 水與toluene的比例決定顆粒大小: 水/toluene = 5/100, 得 ~8 nm particle Angew. Chem. 2007, 46, 1222 – 1244

72 例子 定性實驗 尺寸範圍在4~15nm 的MnFe2O4單晶 奈米顆粒皆為superparamagnetic