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磁性纳米线阵列制备及其各向异性调控研究

【摘要】: 近年来,一维磁性纳米线阵列体系由于其物理性质独特,在纳米器件设计、图形磁记录介质等方面的巨大潜在应用价值,以及在诸多基本物理问题上的重要性得到了全面而深入的研究。一维磁性纳米线阵列的磁各向异性是决定其用途的基本性质,因此磁各向异性的调控研究成为磁性纳米线阵列的主要研究目的之一。磁性纳米线阵列的整体各向异性主要由其形状各向异性和磁晶各向异性决定,对于一般过渡族磁性金属如铁、镍纳米线阵列,形状各向异性能比其磁晶各向异性能大一个数量级,这样它们的形状各向异性主导了体系的整体各向异性;但对六角型(HCP)钴纳米线阵列,其磁晶各向异性能与其形状各向异性能数值相当,所以该体系提供了一个可通过调控磁晶各向异性来改变整体磁各向异性的机会。在本研究中主要以HCP钴纳米线阵列为研究对象,通过各种方法控制其磁晶各向异性易轴方向与形状各向异性易轴方向的夹角实现了调控整体磁各向异性以及矫顽力等其他技术磁性参数的目的;通过磁场热处理改变钴晶粒有序度控制阵列的磁各向异性;首次通过双氧水浸泡腐蚀钴纳米线的方式制备出钴纳米管。 在众多纳米线制备方法中,氧化铝模板法由于其设备简单、成本低廉而被广泛用于制备各种材料的纳米线阵列。本研究中,首先利用阳极氧化铝模板法和电化学法制备了钻纳米线阵列系统研究了制备条件对HCP钴纳米线阵列的结构和磁性的影响、研究了不同直径钴纳米阵列磁化反磁化机理、同时研究了磁场热处理对FCC和HCP钴纳米线结构和性质的影响。其次,在磁性纳米线阵列中引入形状各向异性,成功制备了磁性多层纳米线、磁性纳米刷子并开创性地调控了它们的磁各向异性能大小以及方向。得到的主要结果有: 一、通过电化学沉积法制备HCP钴纳米线阵列,采用多种方式调控磁晶各向异性易轴方向实现对HCP钴纳米线阵列整体等效磁各向异性大范围调制。 A、对直径为20 nm的HCP钴纳米线阵列,利用合适实验方法,获得择优生长取向分别为①(100),②(100)、(101)、(002),③(002)这三种具有不同HCP钴磁晶各向异性易轴方向的微结构,首次实现了磁晶各向异性易轴方向的任意调控。最终获得了HCP钴纳米线阵列等效磁各向异性的极大范围调控,同时获得了最大室温矫顽力为3310 Oe、5 K时矫顽力为4050 Oe,该数值也是目前已有文献报道的最大数值。 B、一般而言,当磁性纳米线直径增加时,由于分畴或非一致磁化反转等使得系统总能降低,反磁化过程更容易,导致磁性纳米线阵列的矫顽力会随着直径增加而降低。在HCP钴纳米线阵列这一具有强磁晶各向异性体系中发现直径50nm阵列矫顽力(1990 Oe)比20 nm阵列矫顽力(925 Oe)大一倍的反常现象。研究表明反常原因在于20 nm直径钴纳米线中晶体结构为(100)织构,50 nm直径钴纳米线中为(002)、(101)择优生长取向;而具有(100)织构和(002)织构的HCP钴纳米线阵列的磁晶各向异性易轴方向分别为垂直和沿着纳米线长轴方向。并通过微磁学模拟证明该反常现象是由于位于纳米线中部出现一个360°的亚稳畴。 C、对HCP钴纳米线阵列、FCC钴纳米线阵列和BCC铁纳米线阵列进行了真空磁场热处理并利用XRD、VSM等仪器研究其处理前后结构与磁性的变化。结果表明在热磁环境下材料晶粒都会受到不同程度的扰乱,其中HCP钴纳米线阵列表现尤为明显,XRD衍射峰有消失的趋势,导致其各项技术磁化参数发生较大变化,说明磁场热处理也是一种调控磁各向异性的有效方法。 D、首次用双氧水浸泡处理带氧化铝模板的钴纳米线阵列,发现在不破坏氧化铝模板的前提下,钴纳米线能被双氧水完全腐蚀,研究表明被腐蚀的方式不是纳米线逐渐由长变短的方式,而是逐渐形成纳米管,管壁变薄,最后完全腐蚀的方式。磁性测量表明,经过双氧水处理后钴纳米线阵列的磁各向异性明显增强。该方法在制备金属纳米管、纳米胶囊等复合纳米结构方面有很大应用前景。 二、除了磁晶各向异性易轴方向可以调控整体各项异性外,形状各向异性对磁性纳米线阵列的磁各向异性也有显著影响。我们制备衬底分别为银和铜的钴铜多层纳米线阵列,研究表明银衬底多层纳米线易磁化方向垂直于纳米线方向,铜衬底多层纳米线易磁化方向沿着纳米线方向。通过制备工艺与衬底材料差异分析,认为衬底材料的晶格与沉积材料的晶格匹配度决定系统磁各向异性的易轴方向。 三、基于氧化铝模板法,首次制备了同时具有纳米线阵列纳米膜的磁性纳米刷子,系统研究了纳米膜厚度对纳米刷子各向异性的调制现象。一般情况下磁性纳米线易磁化方向沿着纳米线轴向的方向,磁性纳米膜易磁化方向在膜面内。纳米刷子这种特殊结构实现了这两种结构磁各向异性的竞争。研究表明当磁性薄膜厚度20 nm以下时,纳米刷子易磁化方向沿着纳米线方向;当磁性模板厚度大于20 nm小于60 nm时,纳米刷子易磁化方向垂直于纳米线方向。说明纳米刷子的磁各向异性可以通过磁性薄膜的厚度来调控,纳米刷子反磁化规律可以认为是纳米线到纳米薄膜的过渡状态。

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