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磁性纳米材料的合成及磁场诱导组装

作　者: 熊鹰
导　师: 陈乾旺
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 磁性纳米材料液相合成有序结构磁场诱导组装磁偶极子诱导组装
分类号: TB383.1
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

在高密度磁存储介质、磁流体以及生物医学等领域中的巨大应用前景的刺激下，磁性纳米材料的合成研究受到了越来越广泛的关注。此外，磁性的有序纳米结构由于结构单元的空间取向和排列而具有许多崭新的性质，也是制备小型化纳米器件的基础，因此将磁性纳米粒子组装成各种有序结构具有显著的科学意义和应用价值。本论文旨在探索磁性纳米材料的液相合成新途径，研究磁性能与纳米材料结构之间的关联，发展简单有效的组装技术以获得新颖的有序磁性纳米结构。详细内容归纳如下：1．以Bi（NO₃）₃、Fe（NO₃）₃和NaOH为原料，采用温和的水热反应体系合成了方形单晶Bi₂Fe₄O₉纳米片，其边长在100—150nm之间，厚度约为17.5nm。通过变化金属粒子浓度、氢氧根离子浓度和是否加入表面活性剂CTAB，可以在一定程度上调节方形Bi₂Fe₄O₉纳米片的方形度以及尺寸（边长和厚度），基于这些实验结果我们提出了方形纳米片可能的生长机理。电子顺磁共振结果显示，Bi₂Fe₄O₉纳米片的反铁磁—顺磁转变的奈尔温度（T_N）降低约20K；同时这种具有较薄的新颖片状结构有可能诱导Fe—O—Fe之间的反对称超交换作用而在低于奈尔温度以下出现弱的铁磁性。该结果对进一步认识复杂的三元反铁磁纳米材料的反常磁性能有一定的启示作用。2．通过简单的两步法合成了碳基磁性纳米复合材料（Fe₃O₄／C和Fe₃O₄／α-Fe／C），即首先在水热体系中形成含高度分散的Fe₃O₄纳米粒子的聚合物PVP凝胶，然后在氮气气氛下不同温度碳化聚合物PVP。改变水热反应的温度等参数可以调控球形Fe₃O₄纳米粒子的大小（12.5～25nm）和尺寸分布以及在聚合物凝胶中的含量。高温碳化后（400℃），具有良好结晶性的球形Fe₃O₄纳米粒子被高度均匀地分散于非晶碳基质中，升高碳化温度至1000℃，发生了碳热还原Fe₃O₄反应，使一部分Fe₃O₄被还原为α-Fe。磁测量结果发现Fe₃O₄／C材料具有超顺磁性，而Fe₃O₄／α-Fe／C则为铁磁性。由于复合材料的电磁阻抗匹配不平衡（μ′＜ε′）以及较低的电磁波衰减常数α（μ″值较小），所以制备的Fe₃O₄／C和Fe₃O₄／α-Fe／C纳米复合材料在0.5—16GHz区域内微波吸收性能较差。该结果对研究频率在GHz范围内的高效磁性纳米吸波材料具有一定的启示作用。3．通过一种有效的聚合物辅助下的磁场诱导组装法获得了新颖的一维Co纳米“豆荚”结构。在每一个“豆荚”中，Co纳米粒子（“豆子”）都沿着外磁场的磁力线方向规则地排列，并且相邻纳米粒子间存在周期性的间距，而表面吸附的聚合物PVP高分子链相互缠绕和交织来永久保持这种有序的结构，即使外磁场移走后仍然能稳定存在。变化PVP的用量和磁场强度都可以调控Co纳米“豆荚”的形貌以及Co纳米粒子的有序程度。磁性测量显示在纳米“豆荚”中Co纳米粒子之间存在明显的铁磁耦合致使其“豆荚”的磁学性能类似于一个整体的磁性纳米线而不是单个的纳米粒子的简单集合。这种新颖的磁性纳米“豆荚”结构为研究一维体系的磁化问题和磁性粒子之间的长程或短程有序交换耦合作用以及新颖的输运性质等提供了一种非常理想的模型。4．以二茂铁，过氧化氢和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）为原料，用混合溶剂热法（乙醇—水）合成了尺寸均匀的单晶Fe₃O₄纳米微粒。这些Fe₃O₄纳米微粒展现了几乎完美的立方体结构，它们的平均边长约为48nm，其表面被包覆上一层厚度约为8nm的PVP层。在强烈的磁偶极子作用的驱动下，这些纳米立方体能够自组装成磁通闭合的纳米环，通常这些环都是由十几个或几十个纳米立方体构成的，其直径为200—500nm左右，同时环的厚度仅为一个纳米粒子厚，而且环中每个纳米立方体互相之间被完全的分开。此外还发现只有那些平均尺寸接近于50nm的纳米立方体可以组装成纳米环，而尺寸稍小的只能排列成常见的偶极子纳米链，这表明磁通闭合的纳米环是通过偶极子纳米链的“退化”而来的，并且从纳米链退化为纳米环可能需要克服一定的势垒，足够大的粒子因磁相互作用强才能克服这个势垒，形成环。

全文目录

摘要  8-10
ABSTRACT  10-13
第一章绪论  13-51
  1.1 有序纳米结构概述  13-17
    1.1.1 有序纳米结构概念的提出以及研究意义  13-14
    1.1.2 有序纳米结构常见制备方法  14-17
      1.1.2.1 纳米刻印技术  14-15
      1.1.2.2 自组装法  15-17
  1.2 磁性纳米材料和有序磁性纳米结构  17-24
    1.2.1 磁性纳米材料的特点  17-19
    1.2.2 磁性纳米材料的应用  19-21
    1.2.3 有序磁性纳米结构的研究意义及制备现状  21-24
  1.3 外磁场诱导自组装形成有序磁性纳米结构  24-40
    1.3.1 基本知识背景  25-27
    1.3.2 一维有序磁性纳米结构  27-32
    1.3.3 二维及三维有序磁性纳米结构  32-38
    1.3.4 磁场诱导组装法在微电子工业方面的应用  38-40
  1.4 本论文的选题背景和研究内容  40-42
    1.4.1 论文的选题背景  40
    1.4.2 研究内容  40-42
  参考文献  42-51
第二章方形Bi_2Fe_4O_9纳米片的合成与电子顺磁共振研究  51-69
  2.1 引言  51-53
  2.2 实验部分  53-54
    2.2.1 试剂和材料  53
    2.2.2 样品制备  53-54
    2.2.3 样品表征  54
  2.3 结果与讨论  54-63
    2.3.1 XRD花样分析  54-55
    2.3.2 产物的形貌分析以及反应条件对形貌的影响  55-58
    2.3.3 方形纳米片的生长机理的初步探讨  58-59
    2.3.4 电子顺磁共振谱表征与分析  59-63
  2.4 本章小节  63-65
  参考文献  65-69
第三章 Fe_3O_4/C和Fe_3O_4/α-Fe/C纳米复合材料的合成及其磁性能研究  69-89
  3.1 引言  69-72
    3.1.1 纳米复合材料的概念  69-70
    3.1.2 纳米复合材料的应用  70-72
  3.2 本章的选题意义  72-73
  3.3 实验部分  73-75
    3.3.1 试剂和材料  73
    3.3.2 样品制备  73-74
    3.3.3 样品表征  74-75
  3.4 结果与讨论  75-84
    3.4.1 黑色果冻状凝胶的物相和成分分析  75
    3.4.2 不同水热反应条件制备磁性PVP凝胶  75-77
    3.4.3 Fe_3O_4/C纳米复合材料的成分分析  77-78
    3.4.4 Fe_3O_4/C纳米复合材料的形貌分析  78-79
    3.4.5 Fe_3O_4/α-Fe/C纳米复合材料的成分和形貌分析  79-80
    3.4.6 Fe_3O_4/C和Fe_3O_4/α-Fe/C纳米复合材料的HRTEM分析  80-81
    3.4.7 Fe_3O_4/C和Fe_3O_4/α-Fe/C纳米复合材料的磁学性质  81-82
    3.4.8 Fe_3O_4/C和Fe_3O_4/α-Fe/C纳米复合材料的微波吸收性能  82-84
  3.5 本章小节  84-86
  参考文献  86-89
第四章 Co纳米粒子一维“豆荚”结构的制备与磁性研究  89-109
  4.1 引言  89-93
  4.2 实验部分  93-94
    4.2.1 试剂和材料  93
    4.2.2 样品制备  93-94
    4.2.3 样品制备  94
  4.3 结果与讨论  94-104
    4.3.1 产物的形貌表征  94-96
    4.3.2 纳米“豆荚”的成分和物相表征  96-97
    4.3.3 改变PVP用量对组装结构形貌的影响  97-99
    4.3.4 改变磁场强度对组装结构形貌的影响  99-100
    4.3.5 纳米“豆荚”结构的组装机理分析  100-103
    4.3.6 纳米“豆荚”结构的磁性能分析  103-104
  4.4 本章小节  104-105
  参考文献  105-109
第五章 Fe_3O_4纳米立方体的环形组装结构  109-137
  5.1 混合溶剂热法制备单晶Fe_3O_4纳米立方体  109-121
    5.1.1 引言  109-111
    5.1.2 试验部分  111-113
      5.1.2.1 试剂和材料  111-112
      5.1.2.2 Fe_3O_4纳米立方体的制备  112
      5.1.2.3 样品表征  112-113
    5.1.3 结果与讨论  113-121
      5.1.3.1 样品的结构和成分表征  113-116
      5.1.3.2 样品的形貌表征  116-117
      5.1.3.3 各种反应条件对产物形貌的影响  117-120
      5.1.3.4 Fe_3O_4纳米立方体的磁学性质  120-121
  5.2 磁偶极子诱导Fe_3O_4纳米立方体自组装成环形结构  121-128
    5.2.1 引言  121-124
    5.2.2 制备及表征  124-125
    5.2.3 磁偶极子组装结构的形貌表征及分析  125-128
  5.3 本章小节  128-130
  参考文献  130-137
第六章总结和展望  137-141
附录: 攻读博士期间完成的工作  141-143
致谢  143

磁性纳米材料的合成及磁场诱导组装

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