Herstellung und magnetische Eigenschaften von Nd/FM (FM=Fe, Co, Ni)/PA66 dreischichtigen koaxialen Nanokabeln

Hintergrund

Koaxiales Nanokabel ist eine besondere Art der 1D-Nanostruktur in einem Verbundsystem, die aufgrund ihrer einzigartigen Struktur und Eigenschaften auf großes Interesse gestoßen ist. Daher haben die Nanokabel potenzielle Anwendungen in den Bereichen Katalysatoren, Energiespeicher, photoelektrisches Material, Nanobiotechnologie, Umweltschutz, magnetische Sensoren und magnetische Aufzeichnungsmedien [1,2,3,4,5,6,7,8,9, 10,11]. Die Entwicklung magnetischer Aufzeichnungsmedien wird durch die superparamagnetischen [12] und ebenen Aufzeichnungsgrenzen begrenzt. Bei der senkrechten Aufzeichnung werden Daten in vertikalen, dreidimensionalen Spalten statt in zwei Dimensionen aufgezeichnet. Um diese Einschränkungen zu überwinden, kann entweder die Struktur von Nanomaterialien oder die effektive Anisotropie des Materials innoviert und verbessert werden. Als Medium zur Erreichung dieses Ziels werden ferromagnetische Zylinder vorgeschlagen.

Ferromagnetische Zylinder umfassen magnetische mehrschichtige Nanodrähte, Nanokabel und ferromagnetische Nanoröhren und Nanodrähte. Im Vergleich zu ferromagnetischen Nanoröhren und Nanodrähten haben magnetische mehrschichtige Nanodrähte und Nanokabel effektiv verbesserte magnetische Eigenschaften [13,14,15,16] und erweiterte Anwendungsfelder. Unter den verschiedenen Herstellungsverfahren ist das templatbasierte Verfahren eines der am häufigsten verwendeten Herstellungsverfahren. Die Größe, Form und strukturellen Eigenschaften von galvanisch abgeschiedenen Nanozylindern werden durch die Parameter des Templats und der galvanischen Abscheidung gesteuert. Allen bekannt, bestehen die Permanentmagnetmaterialien aus ferromagnetischen Materialien und einem Seltenerdmetall. Inspiriert von diesen werden mit einem Seltenerdelement dotierte ferromagnetische Nanodrähte hergestellt und können die magnetischen Eigenschaften von Kompositen verändern [17]. Nach unserem besten Wissen wurde über Nd-dotierte magnetische Nanokabel selten berichtet. Wir haben eine Reihe von mit Seltenerdmetallen dotierten mehrschichtigen Nanokabel-Arrays hergestellt und ihre magnetischen Eigenschaften untersucht [18].

Hier wird ein kurzer Überblick über das Verfahren zur Herstellung von Nanokabeln nach dem Stand der Technik ohne Verwendung eines Modifizierungsmittels gegeben. Wir haben das anodisierte Aluminiumoxid (AAO)-Templat verwendet, das regelmäßige Kanäle und einen breiten Größenbereich aufweist und für Nanoröhren und Nanodrähte und Nanokabel geeignet ist, um Nd/FM (FM=Fe, Co, Ni)/PA66-Dreifachschichten . herzustellen Schicht für Schicht koaxiale Nanokabel. Die äußerste Schicht aus PA66-Nanoröhren wurde durch Lösungsbenetzung von AAO-Templaten hergestellt. Die äußere Hülle, die aus einer Polymer-Nanoröhre besteht, kann verhindern, dass der innere Metallkern oxidiert und erodiert wird und behält die ausgezeichnete Leitfähigkeit und den Magnetismus bei. Die ferromagnetischen Nanoröhren der mittleren Schicht und die internen Nd-Nanodrähte wurden galvanisch abgeschieden, und die galvanische Abscheidung wiederum kann die geometrische Struktur effektiv steuern. Die magnetischen Eigenschaften der koaxialen Nanokabel wurden untersucht.

Methoden

Vorbereitung von PA66-Nanoröhren und Arbeitselektrode

Nanoröhren aus Polyamid 66 (PA66) können durch Benetzen der AAO-Template (Durchmesser ca. 200 nm und Dicke ca. 60 µm) mit 2–6 Gew.-% PA66-Ameisensäurelösung erhalten werden. Ein Tropfen PA66-Lösung wurde auf einen Glasobjektträger gegeben und dann wurde die PA66-Lösung mit einem Stück AAO-Matrize bedeckt. Nach 40 s wurden die PA66-Nanotubes erhalten. Eine Schicht PA66-Folie wurde mit Ameisensäure behandelt, um die PA66-Nanoröhren zu öffnen. Dann wurde ein dünner Au-Film auf eine Seite der PA66/AAO-Verbundmembran gesputtert, um als Arbeitselektrode zu dienen.

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

Elektrolytlösungen wurden aus 0,7 M Ni ²⁺ . hergestellt , 0,8 M Co ²⁺ , und 0,8 M Fe ²⁺ wässrige Lösung getrennt. − 1,0 V/SCE für Ni ²⁺ , − 1,2 V/SCE für Co ²⁺ , und − 1,2 V/SCE für Fe ²⁺ wurden verwendet, um Ni-, Co- bzw. Fe-Nanoröhren in PA66-Nanoröhren für 15 min herzustellen, um die FM/PA66-Doppelnanoröhren zu erhalten.

Vorbereitung von Nd/FM/PA66-Koaxial-Nanokabeln

1,0 Mio. Nd ³⁺ Elektrolytlösung hergestellt, und dann wurde − 2,5 V Gleichstrom zugeführt, um Nd-Nanodrähte in die koaxialen FM/PA66-Nanoröhren für 60 min vorzubereiten, um koaxiale Nd/FM/PA66-Nanokabel zu bilden

Bei dem obigen Elektroabscheidungsexperiment 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 von dreischichtigen Nanokabeln wie folgt:

Schematische Darstellung der Herstellung eines dreilagigen Nanokabels:(A) AAO-Templat, (B) Polymerlösung, (C) Polymer-Nanoröhre, (D) Polymermembran, (E) und (F) Struktur- und Schnittzeichnungen des Nanokabels

Charakterisierung

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

Ergebnisse und Diskussion

Wir haben eine Reihe von Bedingungsexperimenten durchgeführt, um bessere Bedingungen zu gewährleisten, die dazu führen, dass PA66-Nanoröhren und FM-Nanoröhren auf die gleiche Länge wachsen. Die Nanostruktur von FM/PA66-Nanoröhren ist in Abb. 2 gezeigt. Wie aus den REM-Bildern in Abb. 2a, c, e ersichtlich ist, sind FM-Nanoröhren und PA66-Nanoröhren fast gleich lang, und die Mündungen der Nanoröhren sind fast offen. Nach dem Entfernen des AAO-Templats bildeten die FM/PA66-Nanoröhren regelmäßige Anordnungen. Die TEM-Bilder belegen außerdem die Nanostruktur von Doppelschicht-Nanoröhren. Wie aus Abb. 2b, d, f ersichtlich, sind die Wände von PA66-Nanoröhren als Hülle durchgehend. Und die Nanopartikel des FM gleichmäßig auf der Innenwand von PA66-Nanoröhren verteilt. Wie in unserer vorherigen Studie [19] beschrieben, beträgt der Durchmesser von Nanopartikeln etwa 5 nm, und jedes Nanopartikel wird als magnetische Domäne betrachtet. Eine bestimmte Menge von FM-Nanopartikeln verband sich zu FM-Nanoröhren. Daher bildeten PA66-Nanoröhren und FM-Nanoröhren doppellagige koaxiale Nanoröhren.

REM-Bilder:a Ni/PA66, c Co/PA66, e Fe/PA66; TEM-Bilder:b Ni/PA66, d Co/PA66 und f Fe/PA66

Seltenerdmetalle sind eines der Elemente von Permanentmagneten. Inspiriert davon wurde Nd galvanisch in die obigen Doppelschicht-Nanoröhren abgeschieden, um dreischichtige koaxiale 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 wird in den TEM-Bildern deutlich gezeigt. Daher zeigt das TEM-Bild des Nd/Ni/PA66-Nanokabels in Abb. 3b, dass der Kontrast zwischen der Außenschicht und der Innenschicht deutlich ist. Die äußerste Schicht besteht aus einer PA66-Nanoröhre mit einheitlicher und durchgehender Wand, und die innere Schicht besteht aus Nd und Ni. Es wird angezeigt, dass die innere Schicht kompakt ist. Der Kontrast zwischen Nd und Ni ist nicht zu erkennen, da es sich ausschließlich um Metalle handelt. Wie aus Fig. 3d, f ersichtlich ist, ist es offensichtlich, dass die Nanostruktur eine Kern/Schale-Struktur ist. Ebenso ist der Kontrast zwischen den Grenzflächen von PA66 und FM klar und zwischen den beiden Metallen nicht klar.

REM-Bilder:a Nd/Ni/PA66, c Nd/Co/PA66, e Nd/Fe/PA66; typische TEM-Bilder:b Nd/Ni/PA66, d Nd/Co/PA66 und f Nd/Fe/PA66

Das Röntgenbeugungsmuster für die Probe ist in Fig. 4 gezeigt. Die bei 2θ . beobachteten unterschiedlichen Beugungspeaks von 44,32° und 75,72° stimmen mit dem Beugungspeak von (111) und (220) kristallinen Ebenen von Co überein, 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° bzw. 77,56°. 2θ = 77,56° ist auch ein typischer Beugungspeak von Nd (206). Beugungspeaks (2θ von 37,78°, 64,48°, 77,56° und 81,77°) von Au, die durch den gesputterten Au-Film eingeführt wurden, der für die Elektroabscheidung verwendet wurde, umfassend, da der Wert von Au groß ist, so dass einige der Au-Peaks die von Fe und Co . überlappen und Ni.

Röntgenbeugungsmuster von Nd/Ni/PA66, Nd/Co/Pa66 und Nd/Fe/PA66

Der Magnetismus aller in AAO-Templat eingekapselten Proben wurde gemessen. AAO-Template haben einen gewissen Antimagnetismus und reduzieren die magnetische Energie der Proben leicht. Abbildung 5a–f zeigt die Magnetisierungshystereseschleifen (M-H) sowohl von FM/PA66-Nanoröhren als auch von Nd/FM/PA66-Nanokabeln. Es ist ersichtlich, dass sowohl Nanoröhren als auch Nanokabel eine magnetische Anisotropie aufweisen. Es ist sehr leicht zu verstehen, dass die beiden Systeme den gleichen Außendurchmesser haben, der die magnetische Anisotropie der Nanoröhren und Nanokabel bestimmt. Der Magnetismus von Nanokabeln ist nach der Abscheidung von Nd stärker als der von Nanoröhren. Dies liegt daran, dass Nd als typisches Seltenerdmetall eine große Spin-Orbital-Kopplung besitzt, wenn Nd-Nanopartikel in FM in einer Verbundgrenzfläche diffundieren und mit FM-Metallen zusammenwirken, was zu einem synergistischen Effekt führt und die magnetische Anisotropie von Nd/FM . verstärkt /PA66-Nanokabel [20]. Gemäß Abb. 5 sind die magnetischen Parameter der drei Systeme in Tabelle 2 dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass die magnetischen Parameter der Nanokabel wie Koerzitivfeldstärke und Restmagnetisierung parallel zur Längsachse größer sind als die in vertikaler Richtung und Nanoröhren.

Hystereseschleifen:a Ni/PA66, b Nd/Ni/PA66, c Fe/PA66, d Nd/Fe/PA66, e Co/PA66 und f Nd/Co/PA66

Schlussfolgerungen

Die Nd/FM (FM=Fe, Ni, Co)/PA66-Dreischicht-Nanokabel-Arrays wurden jeweils erfolgreich hergestellt. Nd/FM/PA66-Nanokabel weisen aufgrund der Eigenschaften des Seltenerdmetalls und seiner synergistischen Wirkung mit FM eine starke magnetische Anisotropie auf. Die Nanokabel-Arrays bieten nicht nur eine neuartige magnetische Nanostruktur, sondern haben auch eine potenzielle Anwendung in senkrechten magnetischen Speichern und elektronischen Geräten.

Abkürzungen

AAO:

Anodisches Aluminiumoxid

FM:

Fe, Co, Ni

M-H:

Magnetisierungshystereseschleifen

PA66:

Polyamid 66

SEM:

Rasterelektronenmikroskop

TEM:

Transmissionselektronenmikroskop

XRD:

Röntgenbeugung