铁基磁性纳米颗粒的化学制备及磁学性能的研究

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铁基磁性纳米颗粒因其较高的矫顽力、居里温度、饱和磁化强度、及良好的化学稳定性等特点被广泛应用于高密度信息磁记录、磁流体、高频微波器件和生物医药等多个领域。在保证纳米颗粒粒径和形貌均一、结晶性良好的前提下,能否大规模制备纳米颗粒极大限制了铁基磁性纳米颗粒更广泛的研究和应用。本文利用高温油相法成功地实现了Fe3O4磁性纳米颗粒的克规模制备,并对其合成原理进行了初步的研究,以期推广到更多的纳米颗粒体系。同时对铁基磁性纳米颗粒的静磁、自旋输运及高频性质进行了研究,主要结果如下:  (1)通过改进的“heating-up”成方法,以乙酰丙酮铁为前驱体成功实现了Fe3O4磁性纳米颗粒的克规模合成。通过调节前驱体浓度及前驱体/表面活性剂比例可以在保证产量较大且形状为规则球形的前提下在3nm到20nm的范围内调控纳米颗粒的粒径。在调控过程中发现,纳米颗粒粒径的变化随表面活性剂/前驱体比例的改变表现为非单调性。表面活性剂对纳米颗粒的合成起关键作用,且在纳米颗粒合成的不同阶段,所起的作用不同,分别为:抑制小粒径纳米颗粒的生长、阻止成核和控制铁的羧酸盐化合物的热分解。  (2)采用调控纳米颗粒体系压力大小进而调控颗粒接触状态的方法研究Fe3O4纳米颗粒输运机理。发现纳米颗粒体系压力的改变导致了Fe3O4纳米颗粒输运机理的转变。压力为1.0GPa到5.0GPa的Fe3O4纳米颗粒体系,温度-电阻率关系曲线满足ρ∝T1/4,符合Motts VRH输运机制;压力为20.0MPa的纳米颗粒体系温度-电阻率关系曲线满足ρ∝T1/2,符合Efross VRH输运机制。并利用蒙特卡洛模拟方法对这一实验结果进行了拟合和分析。研究表明,在Fe3O4纳米颗粒体系,压力较小时纳米颗粒体系的输运只体现出电荷的传输;压力增大后电子自旋在体系的输运中起主要作用。  (3)进一步对Fe3O4磁性纳米颗粒和包覆SiO2壳层后的Fe3O4磁性纳米颗粒的磁性和高频性能进行了研究。利用穆斯堡尔谱对其磁性研究发现,由于颗粒间偶极相互作用的影响,室温下包壳后Fe3O4纳米颗粒由铁磁性转变为超顺磁性。而SQUID直流磁性研究表明,包壳前后Fe3O4磁性纳米颗粒均表现为超顺磁性,只是闭锁温度TB从包壳前的86K降低到包壳后的37K。同一个体系,由于SQUID的测试时间窗口为毫秒到秒量级,而穆斯堡尔谱的测试时间为10-9秒,从而导致纳米颗粒体系表现出不同的磁性,这是由于测量时间窗口与纳米颗粒弛豫时间(10-10s)之间相对关系决定的。我们希望能在高频领域也观测到这种超顺磁/铁磁性质的转变对其高频性质的影响。研究表明未包壳的Fe3O4纳米颗粒截止频率为5.3GHz,包壳后截止频率增大到6.9GHz。高频磁性研究发现,超顺磁态/铁磁态的转变,可以大大提高其截止频率,甚至可以超过材料本身的自然共振频率。  (4)利用高温油相法,以乙酰丙酮铁和乙酰丙酮钴作为前驱体成功制备了13、20和40nm方块形状的CoFe2O4纳米颗粒。分别研究了它们的静磁和高频性能。研究表明,CoFe2O4纳米颗粒的饱和磁化强度、矫顽力和剩磁均随粒径的减小而减小。截止频率随粒径的减小而增大,这可能是由粒径减小后有效各向异性增强所导致。  (5)另外,还研究了优异的磁热材料LaFe11.6Si1.4C0.2H1.7金属间化合物的微波吸收和磁制冷性质。我们第一次实现了将电磁吸收和磁制冷能力集合在一个多功能材料中,同时得到-42dB的微波吸收及-20JKg-1K-1的磁熵变。优良的微波吸收性能源于较大的磁损耗、介电损耗以及两种损耗的有效互补;同时巨大的磁热效应为其在微波吸收过程中避免温度升高及减小红外辐射提供了一种新的技术手段。  
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