各向异性Fe3O4及Fe3O4/Mn3O4纳米晶的合成及磁学性质

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磁性纳米晶体是功能纳米材料家族中非常重要的一员,在数据存储、磁流体、生物医药、磁共振成像(MRI)、电化学、催化、环境净化等诸多领域,表现出很大的应用前景。相较于传统磁性薄膜的构建方法(如气相沉积、磁控溅射),溶液相化学合成磁性纳米晶体具有特别的优势,如方法简单、可操作性强、成本低昂等。如何在溶液中制备磁性纳米晶,并继承和发展传统磁性薄膜的各向异性结构以及多磁性集成特点,且进一步探索其磁学新奇性质以及理解其背后的物理起源,是我们研究的兴趣所在。  我们聚焦于各向异性结构Fe3O4磁性纳米晶及其复合组分Fe3O4/Mn3O4软硬双磁异质纳米晶的化学合成及磁学性质研究。主要研究内容如下:  (1)我们采用一种溶剂热化学合成方法,制备得到了三角形Fe3O4纳米薄棱镜。该结构表现出明显的各向异性,其三角形边长约27.5 nm,厚度约4.1 nm。我们对其晶体结构进行了表征,并对其形成机理做了简要探讨,主要关注于三角形 Fe3O4纳米薄棱镜的{111}极性表面禁阻,以及其内部存在的堆叠层错导致内应力在纳米晶表面释放导致晶体固有对称性的打破,最终形成三角形纳米棱镜结构。此外,我们研究了此类各向异性Fe3O4纳米薄片的磁学性质。该样品在室温时具有很弱的亚铁磁性,在低温时则表现出较大的饱和磁化强度、矫顽力和剩磁。  (2)我们采取一种比较绿色、温和的方法,以上述三角形Fe3O4纳米薄棱镜作为种子,以癸酸锰作为锰前驱体,以十四烷作为溶剂,在适当量十二酸的存在下,在240℃通过注入油胺和十二醇加速癸酸锰的分解,最终成功制备出“棱镜—棱镜型”即P-O-P型Fe3O4/Mn3O4异质纳米晶。该结构表现为双层结构。我们对其形成机理从异质外延界面分析以及Franck—Van der Merwe层层生长模式两个方面做了解析。我们考察了其粉末样品在不同磁场下样品的磁化强度随着温度的变化情况,以及不同温度时样品的磁化强度随着外磁场大小的变化情况,发现了一系列独特的现象,例如,补偿点,自旋反平行交换耦合——自旋扭转——自旋平行耦合的变磁性行为,“低场收缩——高场膨胀”的磁滞回线,较大的正或负的交换偏置现象,独特的矫顽力和剩磁随温度变化关系等。  (3)降低P-O-P型Fe3O4/Mn3O4异质纳米晶的合成温度至190℃,我们得到在Fe3O4纳米棱镜的三角形顶点位置生长角状Mn3O4纳米晶的“角——棱镜”型即H-O-P型Fe3O4/Mn3O4异质纳米晶。我们讨论了H-O-P型Fe3O4/Mn3O4异质纳米晶的形成机理,考察了其粉末样品在不同磁场下样品的磁化强度随着温度的变化情况,以及不同温度时样品的磁化强度随着外磁场大小的变化情况,并与P-O-P型Fe3O4/Mn3O4异质纳米晶的相应结果做了对比性讨论。
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