鋅-鈷-錳鐵氧體納米粒子體系中相互作用對磁性的影響研究.pdf

1、磁性納米顆粒在磁記錄、磁流體、微納電子器件、光催化以及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，同時，納米尺度的磁材料具有與塊體材料不同的新穎磁性質(zhì)，因此，近些年來，納米尺度磁材料的應(yīng)用與磁性質(zhì)研究一直是材料物理、納米科學(xué)與技術(shù)等領(lǐng)域的廣受關(guān)注的課題之一。從基礎(chǔ)研究的角度來說，納米尺度磁材料新穎的磁性質(zhì)可以歸因于有限大小效應(yīng)、表面效應(yīng)、晶粒間的交換相互作用以及粒子間的偶極相互作用等等。具體來說:當(dāng)粒子大小在單疇臨界尺寸以下時呈現(xiàn)的超順磁性;粒子表

2、面自旋間的相互作用以及粒子的表面自旋與芯自旋間的相互作用導(dǎo)致的各向異性增強(qiáng)和交換偏置現(xiàn)象;晶粒間的交換耦合作用導(dǎo)致的剩磁增強(qiáng);粒子間的強(qiáng)偶極相互作用導(dǎo)致超自旋玻璃態(tài)等。迄今為止，系統(tǒng)揭示納米尺度材料中相互作用對磁性影響的實驗報道較少，甚至一些報道給出不一致的結(jié)果，一個主要的原因在于所制備的粒子體系大小不均勻并且嚴(yán)重聚集。在這樣的粒子體系中，難以區(qū)分粒子的大小效應(yīng)、交換作用與偶極作用對磁性的影響。在本論文中，首先制備出均勻分散的納米粒子，

3、以排除粒徑大小與分布對磁性的影響;通過稀釋、稀釋后還原等方法，改變粒子間的距離、粒子的磁矩與各向異性。用這樣的粒子體系分別研究了粒子的表面自旋、各向異性、偶極作用和形貌特征對磁性質(zhì)的影響。
　　主要研究內(nèi)容如下:
　　1.為了突出研究表面自旋對磁性的影響，我們選擇弱磁性的ZnLa0.02Fe1.98O4納米粒子作為研究對象，以減少粒子間偶極相互作用和磁晶各向異性的影響。通過對稀釋和未稀釋的ZnLa0.02Fe1.98O4納米

4、粒子不同溫度的退火，我們觀察到豐富的磁有序態(tài)（超順磁，弱鐵磁性以及順磁），通過分析，我們認(rèn)為磁有序態(tài)的變化可以歸因于表面自旋和界面效應(yīng)。結(jié)果表明，在弱磁性的納米尺度磁性材料中，表面自旋和界面效應(yīng)對磁性質(zhì)起著重要影響。
　　2.用金屬有機(jī)鹽在高沸點有機(jī)溶劑中熱分解制得均勻分散的CoFe2O4納米粒子。將部分CoFe2O4納米粒子稀釋于非晶SiO2基質(zhì)中，獲得不同濃度的樣品。稀釋和未稀釋樣品均有正或負(fù)的交換偏置行為，表明在CoFe2O

5、4納米粒子表面存在傾斜自旋層。表面自旋誘導(dǎo)表面各向異性，使得有效各向異性常數(shù)K增加（3.38×106 erg/cm3）。隨著磁性粒子濃度增加，剩磁比（Mr/Ms）減小，可歸因于粒子間偶極相互增強(qiáng);但矯頑力（Hc）無規(guī)律變化，可能是由各向異性、粒子間偶極相互作用以及界面效應(yīng)協(xié)同影響的結(jié)果。通過適當(dāng)稀釋CoFe2O4納米粒子，可以獲得高于以往報道的Hc(3056 Oe)和Mr/Ms(0.63)值。這部分工作對揭示納米尺度磁性的機(jī)理和優(yōu)化磁性

6、能有一定的意義。
　　3.用金屬有機(jī)鹽熱分解方法制備均勻分散的CoFe2O4納米粒子。部分CoFe2O4納米粒子稀釋于非晶SiO2基質(zhì)中，在10K～390K溫區(qū)，詳細(xì)研究了未稀釋與稀釋樣品的磁性。10K時未稀釋和稀釋樣品具有的Hc值分別為23817 Oe和15056 Oe，這是目前為止所報導(dǎo)的最高數(shù)值，并且Mr/Ms也分別高達(dá)0.85和0.76。有趣的是兩個樣品的磁性在200 K都發(fā)生了變化，這個變化在磁滯回線、零場冷(ZFC)曲

7、線以及Hc、Mr/Ms、各向異性常數(shù)、偶極場以及磁晶粒大小與溫度的關(guān)系曲線上都可以觀察到。200 K以下，表面自旋對磁性起著決定性作用，兩個樣品都具有很大的各向異性，導(dǎo)致很大的Hc和Mr/Ms值。200 K以上，表面自旋效應(yīng)可以忽略，導(dǎo)致有效各向異性減小;但是偶極相互作用卻增強(qiáng)，從而使得Hc和Mr/Ms值變小。這個研究結(jié)果表明強(qiáng)各向異性和弱偶極相互作用有利于增強(qiáng)Hc和Mr/Ms。結(jié)果也說明，低于200 K時磁滯回線在H=0處的跳躍來源于

8、表面自旋的再取向。這些結(jié)果進(jìn)一步揭示了表面自旋和偶極作用對磁性的顯著影響，并且在不同溫區(qū)，決定磁性的因素也明顯不同。
　　4.磁性納米粒子體系中，強(qiáng)偶極相互作用往往使粒子的磁矩凍結(jié)為超自旋玻璃態(tài)，具有弛豫行為和記憶效應(yīng)。我們對未稀釋強(qiáng)偶極相互作用的CoFe2O4納米粒子進(jìn)行了靜態(tài)和動態(tài)磁測量。主要結(jié)果如下:1）10K時，表面自旋和芯自旋之間的交換耦合使得剩磁比增大。2）觀察到異常的記憶效應(yīng):它存在于350K以下很寬的溫度范圍內(nèi);2

9、00 K以下可以歸因于表面自旋的馳豫。200 K以上，歸因于取向一致的幾個粒子的磁矩的弛豫。
　　5.首先制備粒徑為9nm、11nm、14nm和30 nm均勻分散的CoFe2O4納米粒子，用稀釋和氫氣中還原方法，改變粒子間距離、磁矩和各向異性，用這些粒子系統(tǒng)揭示Mr/Ms和粒子間偶極相互作用之間的本質(zhì)聯(lián)系。這樣系統(tǒng)的實驗研究尚未見報道。粒子間偶極相互作用的強(qiáng)度通過最強(qiáng)偶極場Hdip來估計。為了阻止還原過程中粒子團(tuán)聚，樣品的還原在稀

10、釋后進(jìn)行。研究結(jié)果表明，樣品的Hdip與Mr/Ms之間的聯(lián)系大致遵循Mr/Ms∝1/lgHdip的規(guī)律，并與粒子的大小、距離、磁矩以及各向異性無關(guān)。對于純CoFe2O4納米粒子，低溫下，偏離Mr/Ms∝1/lgHdip關(guān)系的原因在于表面自旋效應(yīng);對于CoFe2O4/CoFe2復(fù)合體系，偏差的原因在于兩相間的相互作用。
　　6.首先制備均勻分散的MnFe2O4納米粒子，然后MnFe2O4納米粒子以不同濃度稀釋于SiO2基質(zhì)中，目的在