外磁場對四氧化三鈷納米粒子生長的影響的理論和實驗研究.pdf

1、隨著納米科技的不斷發(fā)展，近年來人們對納米材料的需求已經(jīng)不再停留在對其的簡單制備上。納米材料由于其尺寸的減小和比表面積的增大，其性能很大程度上由其表而而不是體性質(zhì)所決定，這就要求我們能對材料進行可控的合成，即做到納米材料的大小可控，形貌可控等等。目前常用的基于表面活性劑的納米材料合成方法還有其局限性，如作用機制不清，在溶液中干擾因素太多等等。
　　 磁場誘導水熱合成法相對于傳統(tǒng)方法有其獨特的優(yōu)勢，如反應(yīng)體系簡單，對環(huán)境無污染等等。

2、目前在這一領(lǐng)域國內(nèi)外已經(jīng)取得了一系列可喜的結(jié)果，但是這些研究目前都以實驗為主，關(guān)于磁場為什么能影響材料的生長過程以及其物理性質(zhì)，人們目前還沒有一個合理的解釋，而這卻恰恰是我們要將這一方法繼續(xù)推廣下去所必須了解的，并且弄清楚這一問題也有助于我們今后在更強的磁場下開展研究。另外，目前磁場誘導材料合成法的主要適用對象還局限于鐵磁性或亞鐵磁性的材料。因此磁場誘導材料合成無論從理論上還是從實驗上都還值得我們進一步去探索。
　　 本論文中我

3、們擬采用常溫下順磁性的四氧化三鈷為研究對象，著重從理論和實驗兩方面研究磁場在材料生長過程中對材料形貌的影響，希望能夠找到磁場的作用機制，并將其進一步推廣到對其他材料的磁場誘導合成中。論文所取得的主要成果可歸納如下：
　　 1.成功地利用磁場誘導水熱合成法實現(xiàn)了Co3O4納米粒子的可控合成。
　　 我們成功地找到了一個簡單的，無表而活性劑的體系來合成Co3O4納米粒子，并觀察了在合成過程中外加磁場對最終產(chǎn)物的影響。研究發(fā)現(xiàn)

4、，不施加外磁場所制備的Co3O4納米粒子是不規(guī)則的多面體，而施加外磁場所制備的Co3O4納米粒子是規(guī)則的立方體。通過調(diào)節(jié)反應(yīng)體系的其他參數(shù)，如溶劑配比和反應(yīng)物用量，我們成功的合成了粒徑大小不等，從8 nm到120 nm的納米立方體，并發(fā)現(xiàn)磁場的誘導作用對于不同粒徑大小的納米粒子都存在。這同時也說明粒子在其生長初期已經(jīng)呈現(xiàn)立方體外觀，(100)面顯露，而在其生長后期則僅僅是立方體長大的過程。
　　 2.成功地從理論上驗證了“磁場可

5、以改變材料不同晶面的晶面能”這一命題。
　　 我們利用一個基于密度泛函理論的計算軟件(VASP)來計算不同晶面的表面能。通過建立具有不同磁結(jié)構(gòu)的模型，我們詳細地研究了施加磁場前后(100)和(111)面晶面能的變化。我們發(fā)現(xiàn)，不施加外磁場時，(100)面和(111)面的表面能分別為1.849 J/m2和約1.64 J/m2；而施加外磁場之后，兩個面的表面能分別為1.326 J/m2和約1.44 J/m2。在外磁場的影響下，(10

6、0)面的能量降低的要比(111)面快，并取代(111)面成為晶面能最低的面。根據(jù)晶體生長的熱力學理論，能量最低的面會在晶體的最終形態(tài)中展現(xiàn)，因此在外加磁場時，能量最低的(100)面會顯露出來，從而納米粒子顯示出立方體的外觀，這也與我們的實驗結(jié)果達成了非常好的一致。而當外磁場不存在的時候，(111)面和(100)面可能存在競爭生長的關(guān)系，從而納米粒子呈現(xiàn)不規(guī)則的多面體形。
　　 綜上所述，在本論文中，我們從實驗上和理論上都驗證了“