磁性納米材料的合成及磁場(chǎng)誘導(dǎo)組裝.pdf

1、在高密度磁存儲(chǔ)介質(zhì)、磁流體以及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中的巨大應(yīng)用前景的刺激下，磁性納米材料的合成研究受到了越來越廣泛的關(guān)注。此外，磁性的有序納米結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)單元的空間取向和排列而具有許多嶄新的性質(zhì)，也是制備小型化納米器件的基礎(chǔ)，因此將磁性納米粒子組裝成各種有序結(jié)構(gòu)具有顯著的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。本論文旨在探索磁性納米材料的液相合成新途徑，研究磁性能與納米材料結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)，發(fā)展簡(jiǎn)單有效的組裝技術(shù)以獲得新穎的有序磁性納米結(jié)構(gòu)。詳細(xì)內(nèi)容歸納如下：

2、 1．以Bi(NO<,3>)<,3>、Fe(NO<,3>)<,3>和NaOH為原料，采用溫和的水熱反應(yīng)體系合成了方形單晶Bi<,2>Fe<,4>O<,9>納米片，其邊長(zhǎng)在100-150 nm之間，厚度約為17.5 nm。通過變化金屬粒子濃度、氫氧根離子濃度和是否加入表面活性劑CTAB，可以在一定程度上調(diào)節(jié)方形Bi<,2>Fe<,4>O<,9>納米片的方形度以及尺寸(邊長(zhǎng)和厚度)，基于這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們提出了方形納米片可能的生長(zhǎng)機(jī)理。電

3、子順磁共振結(jié)果顯示，Bi<,2>Fe<,4>O<,9>納米片的反鐵磁-順磁轉(zhuǎn)變的奈爾溫度(T<,N>)降低約20 K；同時(shí)這種具有較薄的新穎片狀結(jié)構(gòu)有可能誘導(dǎo)Fe-O-Fe之間的反對(duì)稱超交換作用而在低于奈爾溫度以下出現(xiàn)弱的鐵磁性。該結(jié)果對(duì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)復(fù)雜的三元反鐵磁納米材料的反常磁性能有一定的啟示作用。 2．通過簡(jiǎn)單的兩步法合成了碳基磁性納米復(fù)合材料(Fe<,3>o<,4>/C和Fe<,3>O<,3>/α-Fe/C)，即首先在水

4、熱體系中形成含高度分散的-Fe<,3>o<,4>納米粒子的聚合物PVP凝膠，然后在氮?dú)鈿夥障虏煌瑴囟忍蓟酆衔颬VP。改變水熱反應(yīng)的溫度等參數(shù)可以調(diào)控球形Fe<,3>o<,4>納米粒子的大小(12．5～25 nm)和尺寸分布以及在聚合物凝膠中的含量。高溫碳化后(400℃)，具有良好結(jié)晶性的球形Fe<,3>o<,4>納米粒子被高度均勻地分散于非晶碳基質(zhì)中，升高碳化溫度至1000℃，發(fā)生了碳熱還原Fe<,3>o<,4>反應(yīng)，使一部分Fe<,

5、3>o<,4>被還原為α-Fe。磁測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)Fe<,3>o<,4>/C材料具有超順磁性，而Fe<,3>o<,4>/α-Fe/C則為鐵磁性。由于復(fù)合材料的電磁阻抗匹配不平衡(μ'<ε')以及較低的電磁波衰減常數(shù)α(μ"值較小)，所以制備的Fe<,3>O<,4>/C和Fe<,3>O<,4>/α-Fe/C納米復(fù)合材料在0.5-16 GHz區(qū)域內(nèi)微波吸收性能較差。該結(jié)果對(duì)研究頻率在GHz范圍內(nèi)的高效磁性納米吸波材料具有一定的啟示作用。

6、 3.通過一種有效的聚合物輔助下的磁場(chǎng)誘導(dǎo)組裝法獲得了新穎的一維Co納米"豆莢"結(jié)構(gòu)。在每一個(gè)"豆莢"中，Co納米粒子("豆子")都沿著外磁場(chǎng)的磁力線方向規(guī)則地排列，并且相鄰納米粒子間存在周期性的間距，而表面吸附的聚合物PVP高分子鏈相互纏繞和交織來永久保持這種有序的結(jié)構(gòu)，即使外磁場(chǎng)移走后仍然能穩(wěn)定存在。變化PVP的用量和磁場(chǎng)強(qiáng)度都可以調(diào)控Co納米"豆莢"的形貌以及Co納米粒子的有序程度。磁性測(cè)量顯示在納米"豆莢"中Co納米粒子之間存在

7、明顯的鐵磁耦合致使其"豆莢"的磁學(xué)性能類似于一個(gè)整體的磁性納米線而不是單個(gè)的納米粒子的簡(jiǎn)單集合。這種新穎的磁性納米"豆莢"結(jié)構(gòu)為研究_維體系的磁化問題和磁性粒子之間的長(zhǎng)程或短程有序交換耦合作用以及新穎的輸運(yùn)性質(zhì)等提供了一種非常理想的模型。 4.以二茂鐵，過氧化氫和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)為原料，用混合溶劑熱法(乙醇-水)合成了尺寸均勻的單晶Fe<,3>O<,4>納米微粒。這些Fe<,3>O<,4>納米微粒展現(xiàn)了幾乎完美的立方體

8、結(jié)構(gòu)，它們的平均邊長(zhǎng)約為48 nm，其表面被包覆上一層厚度約為8 nm的PVP層。在強(qiáng)烈的磁偶極子作用的驅(qū)動(dòng)下，這些納米立方體能夠自組裝成磁通閉合的納米環(huán)，通常這些環(huán)都是由十幾個(gè)或幾十個(gè)納米立方體構(gòu)成的，其直徑為200-500 mn左右，同時(shí)環(huán)的厚度僅為一個(gè)納米粒子厚，而且環(huán)中每個(gè)納米立方體互相之間被完全的分開。此外還發(fā)現(xiàn)只有那些平均尺寸接近于50 nm的納米立方體可以組裝成納米環(huán)，而尺寸稍小的只能排列成常見的偶極子納米鏈，這表明磁通閉