铁磁性和反铁磁性纳米线及纳米管的制备及其物性研究

• 作 者: Shamaila Shahzadi
• 机 构: 中国科学院物理研究所
• 出 处: 南京大学
• 发表日期: 2009年期
• 关键词: 氧化铝模板 电化学沉积 磁性纳米线 纳米管 磁滞回线 矫顽力 磁化反转模式

纳米加工技术的长足发展使探索微小固体性能的奥秘成为可能。磁性纳米柱(纳米线和纳米管)展现出许多与宏观体材料迥然不同的磁现象。由于这些纳米线和纳米管在磁记录介质、磁存储器及纳米传感器方面表现出潜在的应用，因而引起了人们极大的关注。本文合成并表征了具有铁磁性的Co、CoPt、CoCrPt和具有反铁磁性的FeMn纳米线和纳米管，通过实验和简单的模拟，详细讨论了模板辅助的电化学沉积过程，特别是这些结构的应用。在合成直径低于40 nm的纳米柱时，模板辅助的电化学沉积方法以其低廉的成本成为一种极具诱惑力的可选手段。通过控制沉积参数，可以控制作者所制备的纳米柱的长度、直径和壁厚，以及它们的形貌和尺寸分布。本论文中，主要讨论了多孔阳极氧化铝模板的制备以及利用这些自制的模板采用交流和直流电化学沉积制备纳米柱，讨论了磁性金属单质以及合金的纳米线和纳米管的磁学性质和它们的尺寸、形状以及成分的关系。结果表明，它们的基本磁学性质，像矫顽力(Hc)、剩余磁化强度(SQ)、饱和磁化强度(Ms)、饱和场(Hs)以及磁化强度反转模式，强烈地依赖于这些参数。通过控制这些参数，可以控制它们由铁磁到超顺磁的转变。　　 (1)、研究了不同金属以及它们不同组份的合金的磁学性质。结果发现，通过交流沉积制备的面心结构(fcc) CoPt合金纳米线阵列，其磁滞回线反应出：随着纳米线直径和长度的变化，易轴从平行于纳米线方向转变为垂直于纳米线方向。通过测量CoPt纳米线依赖于角度θ(外磁场和纳米线轴的夹角)的SQ，证实了易轴的这一变化。并测量了CoPt纳米线依赖于温度的M-H曲线。在平行于纳米线轴向，对CoPt纳米线和Co纳米线施加10000e磁场，并在265℃下进行退火处理。结果显示，CoPt纳米线的磁各项异性已被诱导产生，这可以通过加磁退火前后它的Ms，Hc，SQ，Hs，以及M-H曲线的形状和纳米线晶体结构的变化得以证实。不过，单质的Co纳米线却没有观察到类似的变化。在不加磁场的情况下，在600℃温度下对纳米线样品重新退火，没有完全消除诱导各向异性，这说明高温再退火后，磁各向异性主要是由纳米线的形状诱导出来的。　　 (2)、CoCrPt合金材料是重要的磁记录材料，被广泛地应用做磁盘等记录介质，特别是垂直磁记录介质。因而研究他们的磁学性质随尺度和维度的变化关系，对于将来磁记录介质的发展等都有重要的意义。而超高密度磁记录的极限就是一个单畴作为一个记录单元，但足这会受到超顺磁临界尺寸的限制，为了解决这个问题，一就是使用于存储的纳米点变成纳米柱，这样就增加了记录介质的热稳定性，若制备成圆环性(纳米管)，还可降低领近记录单元的静磁相互作用。因而本论文还研究了直流电化学沉积制备的CoCrPt合金纳米线和纳米管的磁学性质。通过测量依赖角度的矫顽力Hc(θ)，可以得出：对于CoCrPt纳米线，它的磁化反转过程主要是卷曲转动；而对于CoCrPt纳米管，随着角度的变化，磁化会从卷曲转动变为一致转动。依赖于时间、温度和磁场的磁学性质揭示了纳米柱的几何形状强烈地影响反转过程克服能量势垒的有效各向异性。　　 (3)、FeMn合金是重要的合金体系，被广泛地应用做GMR自旋阀等多层膜材料的反铁磁偏置层，研究FeMn合金体系磁性随维度的变化，一有助于理解这种材料铁磁和反铁磁性相关的物理问题，二试图通过条件摸索，找到纳米线、纳米管维度时的FeMn反铁磁相，对于将来进一步制备超小的多层纳米线和纳米管自旋阀结构，以及进一步制备超微小的磁性传感器有重要的参考意义；再之由于FeMn合金不需要很高的温度和很长的退火时间就可以转变成反铁磁的晶体相，因此通过直流电化学沉积制备的FeMn合金纳米线和纳米管是颇为重要的合金体系。通过改变组份，Fe1-xMnx合金纳米线和纳米管表现出许多有趣的物理性质：富Fe的Fe1-xMnx合金纳米柱(x<0.4)表现为具有非线性磁化行为的铁磁性有序；而Fe1-xMnx合金纳米柱(0.4