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ER210005
金属和半导体等块状晶体 (> 100 nm) 表现出导电性，因为电子存储在称为能带结构的连续能级中。众所周知，当这些晶体的尺寸减小到纳米区域（1 – 100 nm：介观区域）时，能级变得离散化，并且它们表现出与块状晶体、原子和分子不同的新物理特性（图1：纳米颗粒）。这种效应称为量子尺寸效应[1]。
四氧化三铁（Fe3O4) 是一种历史上常见的化合物，称为磁铁矿，这种磁性颗粒还由于量子尺寸效应而表现出特有的物理性质。当磁性粒子达到介观区域的尺寸时，每个粒子都具有单畴结构，并且由于布朗运动和尼尔弛豫的影响，它开始表现得更像“超顺磁材料”而不是铁磁材料。超顺磁材料与铁磁材料不同，不具有磁滞特性，磁各向异性小。然而，与顺磁材料不同，每个晶粒的磁矩具有与铁磁材料相似的大小。近年来，具有超顺磁性的磁性纳米颗粒（例如磁铁矿）已被用于治疗高热。[2][3]，磁粒子成像[4]磁共振成像在造影剂等方面的应用[5]正在扩大。
图1导电材料尺寸与能量结构示意图
磁性颗粒尺寸和铁磁/超顺磁共振谱的变化
铁3O4粉末（粒径50-100 nm）和Fe的铁磁共振（FMR）谱3O4图2显示了磁性纳米粒子的甲苯分散体的超顺磁共振(SPR)谱。粒径较大的粉末具有较大的各向异性和电导率，因此观察到呈现典型戴森型线性的光谱。相比之下，磁性纳米粒子的各向异性随着粒径的减小而急剧减小，可以看到出现了全新的尖锐且各向同性的信号。这些光谱图案与大颗粒粉末的光谱图案和铁离子的顺磁共振信号完全不同，并且被认为反映了独特的依赖于尺寸的电子状态。
图 2 磁铁矿 (Fe3O4) 的粒径和电子自旋共振光谱的差异。(a) 铁3O4粉末的铁磁共振谱（粒径50 – 100 nm），(b) 铁3O4磁性纳米颗粒甲苯分散液(0625 mg/mL)的超顺磁共振谱。
参考：
- [1] R Kubo，J Phys。苏克。日本,17, 975 (1962).
- [2] A Rajan，NK Sahu，J Nanopart Res。22, 319 (2020).
- [3] T Morino、T Etani、T Naiki、N Kawai、T Kikumori、Y Nishida、N Yamamoto、T Yasui、Thermal Med、35 (3), 23-32 (2019).
- [4] B Gleich、J Weizenecker，《自然》435, 1214–1217 (2005).
- [5] R Qiao，C Yang 和 M Gau，J Mater。化学,19, 6274–6293 (2009).
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