低维磁性纳米材料的制备及其高频性能的研究

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随着信息技术和电子器件的高速发展,磁性材料在通讯领域的应用越来越广泛,特别是能应用在高频范围内的磁性材料,因而对磁性材料的使用截止频率和高频磁导率要求越来越高。如何在提高材料使用截止频率的同时提高磁导率,在物理基础研究和产业应用方面都具有很高的研究价值。近年来,磁性纳米材料由于其尺寸小、比表面积大,表面有较多的化学悬挂键,而具有新奇的物理特性。此外,磁性纳米材料在外场作用下还可能产生界面极化等新的物理现象,这为开发新的高频材料的研究提供了机遇。本文以低维的磁性纳米材料为研究对象,首先探索了具有形状各向异性的一维的铁基纳米棒,通过引入形状各向异性,来提高其高频磁导率和使用截止频率;其次探索了更稳定、更高饱和磁化强度的铁三氮纳米颗粒的高频性质。主要内容如下:  1.通过水热合成方法得到粒径均一的β-FeOOH、α-FeOOH和α-Fe2O3纳米棒,进一步通过气相还原法,精确地控制反应温度和气流大小得到了纯相,单晶的Υ-Fe2O3、Fe3O4和Fe的纳米棒。通过对铁基纳米棒高频磁性的研究发现,由于形状各向异性的引入,其共振频率有了明显的提高。例如Fe3O4的纳米棒的共振频率为3.0GHz远高于块材的1.2GHz。  2.为了进一步体现纳米棒的形状各向异性,利用磁场定向单畴Fe3O4纳米棒,得到了纳米棒的定向阵列。与未取向的Fe3O4纳米棒相比,取向过的Fe3O4纳米棒具有明显的共振峰而且磁导率有了明显的提高。另外,Fe3O4纳米棒阵列的共振频率在4.75GHz,远高于Fe3O4块材共振频率(1.2GHz)。通过微磁学模拟表明,实验结果与计算结果比较吻合,计算还预测通过调节棒与棒之间的距离和高的饱和磁化强度可有效的提高磁导率。  3.采用水热合成方法合成β-FeOOH纳米棒,然后利用改进的St(o)ber方法得到二氧化硅包覆的β-FeOOH纳米棒,进一步气相还原得到二氧化硅包覆的空心铁纳米棒。对其高频性质的研究表明,具有形状各向异性的空心Fe@SiO2纳米棒的共振频率在10.5GHz,远高于块材的共振频率。另外,对其微波吸收性能研究发现,4mm厚的空心Fe@SiO2纳米棒在11GHz时,反射损耗可以达到-12dB,8mm厚的空心Fe@SiO2纳米棒在13.5GHz时,反射损耗可以达到-42dB。  4.以油相法合成的单分散Fe3O4纳米颗粒为前驱体,通过二氧化硅包覆、氮化、刻蚀得到了单分散的高饱和磁化强度的Fe3N纳米颗粒;另外,以Fe3O4纳米颗粒为前驱体通过盐基质退火方法得到了可批量制备的、单分散Fe3N纳米颗粒。对其高频性能的研究发现,相比同样尺寸的Fe3O4纳米颗粒,Fe3N纳米颗粒具有更高的磁导率,同时它的共振频率可达4.25GHz。  5.此外,以Fe3O4纳米颗粒为前驱体通过盐基质退火方法得到了Fe3N包覆Fe3O4核壳结构的纳米颗粒。发现其具有一定的交换偏置效应。
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