鋅-鈷-錳鐵氧體納米粒子體系中相互作用對磁性的影響研究.pdf

1、磁性納米顆粒在磁記錄、磁流體、微納電子器件、光催化以及生物醫(yī)學等領域有廣泛的應用前景，同時，納米尺度的磁材料具有與塊體材料不同的新穎磁性質，因此，近些年來，納米尺度磁材料的應用與磁性質研究一直是材料物理、納米科學與技術等領域的廣受關注的課題之一。從基礎研究的角度來說，納米尺度磁材料新穎的磁性質可以歸因于有限大小效應、表面效應、晶粒間的交換相互作用以及粒子間的偶極相互作用等等。具體來說:當粒子大小在單疇臨界尺寸以下時呈現的超順磁性;粒子表

2、面自旋間的相互作用以及粒子的表面自旋與芯自旋間的相互作用導致的各向異性增強和交換偏置現象;晶粒間的交換耦合作用導致的剩磁增強;粒子間的強偶極相互作用導致超自旋玻璃態(tài)等。迄今為止，系統揭示納米尺度材料中相互作用對磁性影響的實驗報道較少，甚至一些報道給出不一致的結果，一個主要的原因在于所制備的粒子體系大小不均勻并且嚴重聚集。在這樣的粒子體系中，難以區(qū)分粒子的大小效應、交換作用與偶極作用對磁性的影響。在本論文中，首先制備出均勻分散的納米粒子，

3、以排除粒徑大小與分布對磁性的影響;通過稀釋、稀釋后還原等方法，改變粒子間的距離、粒子的磁矩與各向異性。用這樣的粒子體系分別研究了粒子的表面自旋、各向異性、偶極作用和形貌特征對磁性質的影響。
　　主要研究內容如下:
　　1.為了突出研究表面自旋對磁性的影響，我們選擇弱磁性的ZnLa0.02Fe1.98O4納米粒子作為研究對象，以減少粒子間偶極相互作用和磁晶各向異性的影響。通過對稀釋和未稀釋的ZnLa0.02Fe1.98O4納米

4、粒子不同溫度的退火，我們觀察到豐富的磁有序態(tài)（超順磁，弱鐵磁性以及順磁），通過分析，我們認為磁有序態(tài)的變化可以歸因于表面自旋和界面效應。結果表明，在弱磁性的納米尺度磁性材料中，表面自旋和界面效應對磁性質起著重要影響。
　　2.用金屬有機鹽在高沸點有機溶劑中熱分解制得均勻分散的CoFe2O4納米粒子。將部分CoFe2O4納米粒子稀釋于非晶SiO2基質中，獲得不同濃度的樣品。稀釋和未稀釋樣品均有正或負的交換偏置行為，表明在CoFe2O

5、4納米粒子表面存在傾斜自旋層。表面自旋誘導表面各向異性，使得有效各向異性常數K增加（3.38×106 erg/cm3）。隨著磁性粒子濃度增加，剩磁比（Mr/Ms）減小，可歸因于粒子間偶極相互增強;但矯頑力（Hc）無規(guī)律變化，可能是由各向異性、粒子間偶極相互作用以及界面效應協同影響的結果。通過適當稀釋CoFe2O4納米粒子，可以獲得高于以往報道的Hc(3056 Oe)和Mr/Ms(0.63)值。這部分工作對揭示納米尺度磁性的機理和優(yōu)化磁性

6、能有一定的意義。
　　3.用金屬有機鹽熱分解方法制備均勻分散的CoFe2O4納米粒子。部分CoFe2O4納米粒子稀釋于非晶SiO2基質中，在10K～390K溫區(qū)，詳細研究了未稀釋與稀釋樣品的磁性。10K時未稀釋和稀釋樣品具有的Hc值分別為23817 Oe和15056 Oe，這是目前為止所報導的最高數值，并且Mr/Ms也分別高達0.85和0.76。有趣的是兩個樣品的磁性在200 K都發(fā)生了變化，這個變化在磁滯回線、零場冷(ZFC)曲

7、線以及Hc、Mr/Ms、各向異性常數、偶極場以及磁晶粒大小與溫度的關系曲線上都可以觀察到。200 K以下，表面自旋對磁性起著決定性作用，兩個樣品都具有很大的各向異性，導致很大的Hc和Mr/Ms值。200 K以上，表面自旋效應可以忽略，導致有效各向異性減小;但是偶極相互作用卻增強，從而使得Hc和Mr/Ms值變小。這個研究結果表明強各向異性和弱偶極相互作用有利于增強Hc和Mr/Ms。結果也說明，低于200 K時磁滯回線在H=0處的跳躍來源于

8、表面自旋的再取向。這些結果進一步揭示了表面自旋和偶極作用對磁性的顯著影響，并且在不同溫區(qū)，決定磁性的因素也明顯不同。
　　4.磁性納米粒子體系中，強偶極相互作用往往使粒子的磁矩凍結為超自旋玻璃態(tài)，具有弛豫行為和記憶效應。我們對未稀釋強偶極相互作用的CoFe2O4納米粒子進行了靜態(tài)和動態(tài)磁測量。主要結果如下:1）10K時，表面自旋和芯自旋之間的交換耦合使得剩磁比增大。2）觀察到異常的記憶效應:它存在于350K以下很寬的溫度范圍內;2

9、00 K以下可以歸因于表面自旋的馳豫。200 K以上，歸因于取向一致的幾個粒子的磁矩的弛豫。
　　5.首先制備粒徑為9nm、11nm、14nm和30 nm均勻分散的CoFe2O4納米粒子，用稀釋和氫氣中還原方法，改變粒子間距離、磁矩和各向異性，用這些粒子系統揭示Mr/Ms和粒子間偶極相互作用之間的本質聯系。這樣系統的實驗研究尚未見報道。粒子間偶極相互作用的強度通過最強偶極場Hdip來估計。為了阻止還原過程中粒子團聚，樣品的還原在稀

10、釋后進行。研究結果表明，樣品的Hdip與Mr/Ms之間的聯系大致遵循Mr/Ms∝1/lgHdip的規(guī)律，并與粒子的大小、距離、磁矩以及各向異性無關。對于純CoFe2O4納米粒子，低溫下，偏離Mr/Ms∝1/lgHdip關系的原因在于表面自旋效應;對于CoFe2O4/CoFe2復合體系，偏差的原因在于兩相間的相互作用。
　　6.首先制備均勻分散的MnFe2O4納米粒子，然后MnFe2O4納米粒子以不同濃度稀釋于SiO2基質中，目的在