Herstellung und magnetisches Verhalten von Nd/Ferromagnet/PA66 dreischichtigen Koaxial-Nanokabeln

Zusammenfassung

In dieser Arbeit wurde eine neue Herstellungsmethode für dreischichtige Koaxial-Nanokabel entwickelt. Nd/FM (FM=Fe, Co, Ni)/PA66 dreischichtige Koaxial-Nanokabel wurden erfolgreich von der äußeren zur inneren Schicht Schicht für Schicht assembliert. PA66-Nanoröhren, die als äußere Hülle dienten, wurden durch Polymerlösungsbenetzung von AAO-Templates hergestellt. Ferromagnetische Metalle und Nd wurden in vorgefertigte PA66-Nanoröhren abgesetzt, um als mittlere Schicht bzw. innerer Kern zu dienen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Struktur Auswirkungen auf die magnetischen Eigenschaften hat, und die Nanokabelherstellung erlaubt, jede Schicht, Länge und Dicke der Nanokabel einzustellen.

Hintergrund

Koaxial-Nanokabel sind eine spezielle Art von 1D-Nanostrukturen in Verbundsystemen, die aufgrund ihrer einzigartigen Struktur und Eigenschaften großes Interesse geweckt haben. Daher haben Nanokabel potenzielle Anwendungen in Katalyse, Energiespeicher, photoelektrischen Materialien, Nanobiotechnologie, Umweltschutz, magnetischen Sensoren und magnetischen Aufzeichnungsmedien. Die Entwicklung magnetischer Aufzeichnungsmedien wird durch den Superparamagnetismus und die planare Aufzeichnungsgrenze limitiert. Senkrechte Aufzeichnung beinhaltet Datenspeicherung in vertikalen, dreidimensionalen Säulen statt in zwei Dimensionen. Um diese Limitierungen zu überwinden, können entweder die Struktur von Nanomaterialien oder die effektive Anisotropie des Materials innoviert und verbessert werden. Ferromagnetische Zylinder werden als Medium zur Erreichung dieses Ziels vorgeschlagen.

Ferromagnetische Zylinder umfassen magnetische Mehrschicht-Nanodrähte, Nanokabel, ferromagnetische Nanoröhren und Nanodrähte. Im Vergleich zu ferromagnetischen Nanoröhren und Nanodrähten haben magnetische Mehrschicht-Nanodrähte und Nanokabel die magnetischen Eigenschaften effektiv verbessert und Anwendungsbereiche erweitert. Unter den verschiedenen Herstellungsmethoden ist die template-basierte Methode eine der gängigsten. Größe, Form und strukturelle Eigenschaften elektrodeponierter Nanozylinder werden durch Template und Elektrodepositionsparameter kontrolliert. Bekanntlich bestehen Permanentmagnetmaterialien aus ferromagnetischen Materialien und einem Seltenen-Erd-Metall. Inspiriert davon wurden ferromagnetische Nanodrähte mit Seltenen-Erd-Dotierung hergestellt und können die magnetischen Eigenschaften von Kompositen verändern. Meines Wissens wurden Nd-dotierte magnetische Nanokabel selten berichtet. Wir haben eine Reihe von Seltenen-Erd-dotierten Mehrschicht-Nanokabel-Arrays hergestellt und ihre magnetischen Eigenschaften untersucht.

Hier wird ein kurzer Überblick über modernste Nanokabel-Herstellungsmethoden ohne modifizierende Agentien präsentiert. Wir verwendeten das anodisierte Aluminiumoxid (AAO) Template, das regelmäßige Kanäle und einen weiten Größenbereich aufweist und für Nanoröhren, Nanodrähte und Nanokabel geeignet ist, um Nd/FM (FM=Fe, Co, Ni)/PA66 dreischichtige Koaxial-Nanokabel Schicht für Schicht herzustellen. Die äußerste Schicht aus PA66-Nanoröhren wurde durch Lösungsbenetzung des AAO-Templates gefertigt. Die äußere Hülle aus Polymer-Nanoröhren kann den inneren Metallkern vor Oxidation und Erosion schützen und exzellente Leitfähigkeit und Magnetismus bewahren. Die mittlere Schicht aus ferromagnetischen Nanoröhren und der innere Nd-Nanodraht wurden elektrodeponiert, wobei die Elektrodeposition die geometrische Struktur effektiv kontrollieren kann. Die magnetischen Eigenschaften der Koaxial-Nanokabel wurden untersucht.

Methoden

Herstellung von PA66-Nanoröhren und Arbeitselektrode

Polyamid 66 (PA66) Nanoröhren können durch Benetzen der AAO-Templates (Durchmesser ca. 200 nm, Dicke ca. 60 µm) mit 2–6 Gew.% PA66-Ameisensäurelösung erhalten werden. Ein Tropfen PA66-Lösung wurde auf einen Glasschicht gegeben, dann wurde ein Stück AAO-Template auf die PA66-Lösung gelegt. Die PA66-Nanoröhren wurden nach 40 s erhalten. Eine Schicht PA66-Film wurde mit Ameisensäure behandelt, um die PA66-Nanoröhren zu öffnen. Dann wurde ein dünner Au-Film auf eine Seite der PA66/AAO-Kompositmembran aufgesputtert, um als Arbeitselektrode zu dienen.

Herstellung von FM (FM=Fe, Co, Ni)/PA66 Koaxial-Nanoröhren

Elektrolytlösungen wurden aus 0,7 M Ni²⁺, 0,8 M Co²⁺ und 0,8 M Fe²⁺ wässrigen Lösungen separat hergestellt. –1,0 V/SCE für Ni²⁺, –1,2 V/SCE für Co²⁺ und –1,2 V/SCE für Fe²⁺ wurden verwendet, um Ni-, Co- und Fe-Nanoröhren jeweils in PA66-Nanoröhren für 15 min herzustellen, um FM/PA66-Doppelnanoröhren zu erhalten.

Herstellung von Nd/FM/PA66 Koaxial-Nanokabeln

1,0 M Nd³⁺ Elektrolytlösung wurde hergestellt, und dann wurde –2,5 V Gleichstrom angelegt, um Nd-Nanodrähte in die FM/PA66 Koaxial-Nanoröhren für 60 min abzuscheiden, um Nd/FM/PA66 Koaxial-Nanokabel zu bilden.

In den obigen Elektrodepositionsexperimenten wurde ein Platinfilm als Gegenelektrode und eine Ag/AgCl-Elektrode in gesättigter KCl-Lösung als Referenzelektrode verwendet. Abbildung 1 zeigt das schematische Diagramm der Herstellung dreischichtiger Nanokabel wie folgt:

Charakterisierung

Rasterelektronenmikroskopie (REM; JEOL JSM-6390LV) und Transmissions-Elektronenmikroskopie (TEM; CM200-FEG mit GIF) wurden zur Charakterisierung der Nanostrukturen verwendet. Für TEM-Messung wurde ein Tropfen (5 µl) verdünnter Probe auf ein Kupfergitter gegeben und vor Beobachtung verdampft. Die Elementanalyse wurde durch Röntgenbeugung (XRD; Bruker D8 Advance mit Cu-Kα-Strahlung, λ = 1,5418 Å) identifiziert. Die Magnetisierungsmessungen der FM-Doppelnanoröhren und Nd/FM/PA66-Nanokabel wurden bei Raumtemperatur an einem Vibrationsprobenmagnetometer (VSM; Lakeshore 7307) durchgeführt.

Ergebnisse und Diskussion

Wir führten eine Reihe von Bedingungsexperimenten durch, um bessere Bedingungen zu gewährleisten, die PA66-Nanoröhren und FM-Nanoröhren in die gleiche Länge wachsen lassen. Die Nanostruktur der FM/PA66-Nanoröhren ist in Abb. 2 dargestellt. Wie aus den REM-Bildern in Abb. 2a, c, e ersichtlich, sind FM-Nanoröhren und PA66-Nanoröhren nahezu gleicher Länge, und die Mündungen der Nanoröhren sind fast offen. Nach Entfernen des AAO-Templates bildeten die FM/PA66-Nanoröhren reguläre Arrays. Die TEM-Bilder belegen weiter die Nanostruktur der Doppelschicht-Nanoröhren. Wie in Abb. 2b, d, f zu sehen, sind die Wände der PA66-Nanoröhren als Hülle kontinuierlich. Und die Nanopartikel des FM sind gleichmäßig an der inneren Wand der PA66-Nanoröhren verteilt. Wie in unserer vorherigen Studie beschrieben, beträgt der Durchmesser der Nanopartikel etwa 5 nm, und jedes Nanopartikel wird als magnetische Domäne betrachtet. Eine bestimmte Menge an FM-Nanopartikeln verbinden sich zu FM-Nanoröhren. Daher bilden PA66-Nanoröhren und FM-Nanoröhren Doppelschicht-Koaxial-Nanoröhren.

Seltene-Erd-Metalle sind Elemente von Permanentmagneten. Inspiriert davon wurde Nd in die oben genannten Doppelschicht-Nanoröhren elektrodeponiert, um dreischichtige Koaxial-Nanokabel herzustellen. Die Morphologie der Nd/FM/PA66-Nanostruktur ist in Abb. 3 gezeigt. REM-Bilder zeigen, dass die Nanostrukturen mehrschichtig sind und fast die gleiche Länge haben (die Größenparameter der Nanostrukturen sind in Tabelle 1 gezeigt). Der Kontrast zwischen den Grenzflächen von Polymer und Metall ist in den TEM-Bildern deutlich sichtbar. Daher zeigt das TEM-Bild des Nd/Ni/PA66-Nanokabels in Abb. 3b, dass der Kontrast zwischen äußerer und innerer Schicht klar ist. Die äußerste Schicht ist PA66-Nanoröhre mit gleichmäßiger und kontinuierlicher Wand, und die innere Schicht besteht aus Nd und Ni. Es wird angezeigt, dass die innere Schicht kompakt ist. Der Kontrast kann zwischen Nd und Ni nicht erkannt werden, da sie beide Metalle sind. Wie in Abb. 3d, f zu sehen, ist offensichtlich, dass die Nanostruktur eine Kern-Schale-Struktur ist. Ebenso ist der Kontrast zwischen den Grenzflächen von PA66 und FM klar und nicht klar zwischen den beiden Metallen.

Das Röntgenbeugungsmuster für die Probe ist in Abb. 4 gezeigt. Die distincten Beugungspeaks beobachtet bei 2θ von 44,32° und 75,72° sind konsistent mit dem Beugungsppeak der (111) und (220) kristallinen Ebenen von Co, und die Beugungspeaks von Fe (101) und Fe (105) entsprechen 2θ = 44,32° und 77,56°, und die Beugungspeaks von Ni (011) und Ni (103) entsprechen 2θ = 44,32° und 77,56°, jeweils. 2θ = 77,56° ist auch ein typischer Beugungsppeak von Nd (206). Beugungspeaks (2θ von 37,78°, 64,48°, 77,56° und 81,77°) von Au, die durch den aufgesputterten Au-Film für die Elektrodeposition eingeführt wurden, sind umfassend, da der Wert von Au groß ist, so überlappen einige Peaks von Au jene von Fe, Co und Ni.

Der Magnetismus aller in AAO-Template eingekapselten Proben wurde gemessen. AAO-Templates haben einen gewissen Antiferromagnetismus und reduzieren die magnetische Energie der Proben leicht. Abbildung 5a–f zeigt die Magnetisierungs-Hysterese (M-H) Schleifen sowohl der FM/PA66-Nanoröhren als auch der Nd/FM/PA66-Nanokabel. Man kann sehen, dass sowohl Nanoröhren als auch Nanokabel magnetische Anisotropie aufweisen. Es ist sehr leicht zu verstehen, dass die beiden Systeme den gleichen Außendurchmesser haben, was die magnetische Anisotropie der Nanoröhren und Nanokabel bestimmt. Der Magnetismus der Nanokabel ist stärker als der der Nanoröhren nach Abscheidung von Nd. Dies liegt daran, dass Nd als typisches Seltenes-Erd-Metall eine große Spin-Orbit-Kopplung besitzt; wenn Nd-Nanopartikel in die FM an der Komposit-Grenzfläche diffundieren und mit FM-Metallen zusammenwirken, führt dies zu einem synergistischen Effekt und erhöht die magnetische Anisotropie der Nd/FM/PA66-Nanokabel. Gemäß Abb. 5 sind die magnetischen Parameter der drei Systeme in Tabelle 2 gezeigt. Es ist deutlich zu sehen, dass die magnetischen Parameter der Nanokabel wie Koerzitivfeld und Remanenzmagnetisierung parallel zur Längsachse größer sind als jene in vertikaler Richtung und Nanoröhren.

Fazit

Die Nd/FM (FM=Fe, Ni, Co)/PA66 dreischichtigen Nanokabel-Arrays wurden erfolgreich hergestellt. Nd/FM/PA66-Nanokabel zeigen hohe magnetische Anisotropie aufgrund der Eigenschaften des Seltenen-Erd-Metalls und seines synergistischen Effekts mit FM. Die Nanokabel-Arrays bieten nicht nur eine neuartige magnetische Nanostruktur, sondern haben auch potenzielle Anwendung in senkrechter magnetischer Speicherung und elektronischen Geräten.

Abkürzungen

AAO:

Anodisiertes Aluminiumoxid

FM:

Fe, Co, Ni

M-H:

Magnetisierungs-Hysterese-Schleifen

PA66:

Polyamid 66

REM:

Rasterelektronenmikroskop

TEM:

Transmissions-Elektronenmikroskop

XRD:

Röntgenbeugung