Получение и магнитные свойства трехслойных коаксиальных нанокабелей Nd / FM (FM =Fe, Co, Ni) / PA66

Фон

Коаксиальный нанокабель - это особый вид одномерной наноструктуры в композитной системе, которая вызывает большой интерес благодаря своей уникальной структуре и свойствам. Таким образом, нанокабели имеют потенциальное применение в областях катализаторов, накопителей энергии, фотоэлектрических материалов, нанобиотехнологий, защиты окружающей среды, магнитных датчиков и носителей магнитной записи [1,2,3,4,5,6,7,8,9, 10,11]. Развитие магнитных носителей записи ограничено суперпарамагнитными [12] и плоскими ограничениями записи. Перпендикулярная запись предполагает запись данных в вертикальные трехмерные столбцы, а не в двух измерениях. Чтобы преодолеть эти ограничения, можно усовершенствовать и улучшить структуру наноматериалов или эффективную анизотропию материала. Ферромагнитные цилиндры предлагаются в качестве среды для достижения этой цели.

Ферромагнитные цилиндры включают магнитные многослойные нанопроволоки, нанокабели, а также ферромагнитные нанотрубки и нанопроволоки. По сравнению с ферромагнитными нанотрубками и нанопроводами, магнитные многослойные нанопроволоки и нанокабели обладают значительно улучшенными магнитными свойствами [13,14,15,16] и расширенными областями применения. Среди различных методов подготовки шаблонный метод является одним из наиболее распространенных методов подготовки. Размер, форма и структурные свойства электроосажденных наноцилиндров контролируются шаблоном и параметрами электроосаждения. Всем хорошо известно, что материалы постоянных магнитов состоят из ферромагнитных материалов и редкоземельного металла. Вдохновленные этим, были изготовлены ферромагнитные нанопроволоки, легированные редкоземельным элементом, которые могут изменять магнитные свойства композитов [17]. Насколько нам известно, о легированных неодимом магнитных нанокабелях сообщалось редко. Мы подготовили серию массивов многослойных нанокабелей, легированных редкоземельными элементами, и исследовали их магнитные свойства [18].

Здесь представлен краткий обзор современного метода изготовления нанокабелей без использования модифицирующих агентов. Мы использовали шаблон из анодированного оксида алюминия (AAO), который имеет регулярные каналы и широкий диапазон размеров и подходит для нанотрубок, нанопроволок и нанокабелей, чтобы приготовить трехслойный Nd / FM (FM =Fe, Co, Ni) / PA66. коаксиальные нанокабели слой за слоем. Внешний слой нанотрубок PA66 был изготовлен путем смачивания раствора AAO темплата. Внешняя оболочка, состоящая из полимерной нанотрубки, может предохранять внутреннее металлическое ядро ​​от окисления и эрозии и сохранять отличную проводимость и магнетизм. Ферромагнитные нанотрубки среднего слоя и внутренние нанопроволоки неодима были электроосаждены, и, в свою очередь, электроосаждение может эффективно управлять геометрической структурой. Исследованы магнитные свойства коаксиальных нанокабелей.

Методы

Подготовка нанотрубок PA66 и рабочего электрода

Нанотрубки из полиамида 66 (PA66) могут быть получены путем смачивания шаблонов AAO (диаметр около 200 нм, толщина около 60 мкм) 2–6 мас.% Раствором муравьиной кислоты PA66. Каплю раствора PA66 помещали на предметное стекло, а затем кусочек шаблона AAO покрывали раствором PA66. Нанотрубки PA66 были получены через 40 с. Слой пленки PA66 обрабатывали муравьиной кислотой, чтобы нанотрубки PA66 открылись. Затем тонкую пленку Au напыляли на сторону композитной мембраны PA66 / AAO, которая служила рабочим электродом.

Подготовка коаксиальных нанотрубок FM (FM =Fe, Co, Ni) / PA66

Растворы электролитов готовили из 0,7 М Ni ²⁺ . , 0,8 млн Co ²⁺ и 0,8 M Fe ²⁺ водный раствор отдельно. - 1,0 В / SCE для Ni ²⁺ , - 1,2 В / SCE для Co ²⁺ и - 1,2 В / SCE для Fe ²⁺ были использованы для получения нанотрубок Ni, Co и Fe, соответственно, в нанотрубках PA66 в течение 15 минут для получения двойных нанотрубок FM / PA66.

Подготовка коаксиальных нанокабелей Nd / FM / PA66

1,0 млн нд ³⁺ раствора электролита, а затем подавали постоянный ток 2,5 В для подготовки нанопроволок Nd в коаксиальные нанотрубки FM / PA66 в течение 60 мин для формирования коаксиальных нанокабелей Nd / FM / PA66

В описанном выше эксперименте по электроосаждению пленка платины использовалась в качестве противоэлектрода, а электрод Ag / AgCl в насыщенном растворе KCl - в качестве электрода сравнения. На рисунке 1 показана принципиальная схема подготовки трехслойных нанокабелей, а именно:

Принципиальная схема подготовки трехслойного нанокабеля:(A) шаблон AAO, (B) раствор полимера, (C) полимерная нанотрубка, (D) полимерная мембрана, (E) и (F) структура и разрезы нанокабеля

Характеристика

Для характеристики наноструктур использовались сканирующая электронная микроскопия (SEM; JEOL JSM-6390LV) и просвечивающая электронная микроскопия (TEM; CM200-FEG, снабженная GIF). Для измерения ПЭМ каплю (5 мкл) разбавленного образца помещали на медную сетку и упаривали перед наблюдением. Элементный анализ был идентифицирован дифракцией рентгеновских лучей (XRD; Bruker D8 Advance с излучением Cu-Kα, λ =1,5418 Å). Измерения намагниченности двойных нанотрубок FM и нанокабелей Nd / FM / PA66 проводились при комнатной температуре на магнитометре с вибрирующим образцом (VSM; Lakeshore 7307).

Результаты и обсуждение

Мы провели серию экспериментов с условиями, чтобы обеспечить лучшие условия, при которых нанотрубки PA66 и FM-нанотрубки вырастают до одинаковой длины. Наноструктура нанотрубок FM / PA66 показана на рис. 2. Как видно из изображений SEM, представленных на рис. 2a, c, e, нанотрубки FM и PA66 имеют почти одинаковую длину, а устья нанотрубок почти одинаковы. открыть. После удаления шаблона AAO нанотрубки FM / PA66 сформировали регулярные массивы. Изображения ПЭМ дополнительно подтверждают наноструктуру двухслойных нанотрубок. Как видно из рис. 2б, г, е, стенки нанотрубок PA66 как оболочка сплошные. А наночастицы FM равномерно распределены по внутренней стенке нанотрубок PA66. Как описано в нашем предыдущем исследовании [19], диаметр наночастиц составляет около 5 нм, и каждая наночастица рассматривается как магнитный домен. Определенное количество наночастиц FM объединилось, чтобы сформировать нанотрубки FM. Таким образом, нанотрубки PA66 и FM-нанотрубки образуют двухслойные коаксиальные нанотрубки.

Изображения SEM: a Ni / PA66, c Co / PA66, e Fe / PA66; Изображения TEM: b Ni / PA66, d Co / PA66 и f Fe / PA66

Редкоземельные металлы - один из элементов постоянных магнитов. Вдохновленный этим, Nd был электроосажден в вышеуказанные двухслойные нанотрубки для создания трехслойных коаксиальных нанокабелей. Морфология наноструктуры Nd / FM / PA66 показана на рис. 3. СЭМ-изображения показывают, что наноструктуры являются многослойными и имеют почти одинаковую длину (размерные параметры наноструктур показаны в таблице 1). Контраст между границами раздела полимер и металл четко показан на изображениях ПЭМ. Таким образом, ПЭМ-изображение нанокабеля Nd / Ni / PA66 на рис. 3b показывает, что контраст между внешним и внутренним слоями очевиден. Самый внешний слой представляет собой нанотрубку PA66 с однородной и непрерывной стенкой, а внутренний слой состоит из Nd и Ni. Показано, что внутренний слой компактный. Невозможно распознать контраст между Nd и Ni, потому что все они являются металлами. Как видно из рис. 3d, f, очевидно, что наноструктура представляет собой структуру ядро ​​/ оболочка. Точно так же очевиден контраст между интерфейсами PA66 и FM и непонятен между двумя металлами.

Изображения SEM: a Nd / Ni / PA66, c Nd / Co / PA66, e Nd / Fe / PA66; типичные изображения ТЕА: b Nd / Ni / PA66, d Nd / Co / PA66 и f Nd / Fe / PA66

Картина дифракции рентгеновских лучей для образца показана на рис. 4. Четкие дифракционные пики, наблюдаемые при 2 θ 44,32 ° и 75,72 ° соответствуют дифракционному пику кристаллических плоскостей (111) и (220) Co, а дифракционные пики Fe (101) и Fe (105) соответствуют 2 θ =44,32 ° и 77,56 °, а дифракционные пики Ni (011) и Ni (103) соответствуют 2 θ =44,32 ° и 77,56 ° соответственно. 2 θ =77,56 ° также является типичным дифракционным пиком Nd (206). Пики дифракции (2 θ 37,78 °, 64,48 °, 77,56 ° и 81,77 °) Au, которые были введены распыленной пленкой Au, используемой для электроосаждения, являются исчерпывающими, поскольку ценность Au велика, поэтому некоторые пики Au перекрывают пики Fe и Co и Ni.

Рентгенограммы Nd / Ni / PA66, Nd / Co / Pa66 и Nd / Fe / PA66

Был измерен магнетизм всех образцов, заключенных в шаблон AAO. Шаблоны AAO обладают определенным антимагнетизмом и немного пониженной магнитной энергией образцов. На рис. 5a – f показаны петли гистерезиса намагничивания (M-H) как нанотрубок FM / PA66, так и нанокабелей Nd / FM / PA66. Видно, что и нанотрубки, и нанокабели обладают магнитной анизотропией. Легко понять, что две системы имеют одинаковый внешний диаметр, который определяет магнитную анизотропию нанотрубок и нанокабелей. Магнетизм нанокабелей сильнее, чем у нанотрубок после осаждения Nd. Это связано с тем, что Nd, как типичный редкоземельный металл, обладает большой спин-орбитальной связью, когда наночастицы Nd диффундируют в FM на границе раздела композитов и работают вместе с FM-металлами, что приводит к синергетическому эффекту и увеличивает магнитную анизотропию Nd / FM. / Нанокабели PA66 [20]. Согласно рис. 5, магнитные параметры трех систем показаны в таблице 2. Можно ясно видеть, что магнитные параметры нанокабелей, такие как коэрцитивная сила и остаточная намагниченность, параллельные длинной оси, больше, чем параметры для вертикального направления и нанотрубки.

Петли гистерезиса: a Ni / PA66, b Nd / Ni / PA66, c Fe / PA66, d Nd / Fe / PA66, e Co / PA66 и f Nd / Co / PA66

Выводы

Были успешно изготовлены массивы трехслойных нанокабелей Nd / FM (FM =Fe, Ni, Co) / PA66 соответственно. Нанокабели Nd / FM / PA66 демонстрируют сильную магнитную анизотропию из-за характеристик редкоземельного металла и его синергетического эффекта с FM. Матрицы нанокабелей не только создают новую магнитную наноструктуру, но также могут найти применение в перпендикулярных магнитных накопителях и электронных устройствах.

Сокращения

AAO:

Анодный оксид алюминия

FM:

Fe, Co, Ni

М – Н:

Петли гистерезиса намагничивания

PA66:

Полиамид 66

SEM:

Сканирующий электронный микроскоп

ТЕМ:

Просвечивающий электронный микроскоп

XRD:

Рентгеновская дифракция