Фабрикация и магнитное поведение трехслойных коаксиальных нанокабелей Nd/ферромагнит/PA66

Аннотация

В этой работе разработан новый метод приготовления трехслойных коаксиальных нанокабелей. Nd/FM (FM=Fe, Co, Ni)/PA66 трехслойные коаксиальные нанокабели успешно собраны из внешнего во внутренний слой по слоям. PA66 нанотрубки, служившие внешней оболочкой, приготовили полимерным раствором смачивания ААО шаблона. Ферромагнитные металлы и Nd осаждали в предварительно приготовленные PA66 нанотрубки для служения средним слоем и внутренним ядром соответственно. Результаты показывают, что структура влияет на магнитные свойства, и приготовление нанокабелей позволяет настраивать каждый слой, длину и толщину нанокабелей.

Преамбула

Коаксиальный нанокабель — особый вид 1D наноструктуры в композитной системе, привлекающий большой интерес своей уникальной структурой и свойствами. Поэтому нанокабели имеют потенциальные приложения в области катализаторов, хранения энергии, фотоэлектрических материалов, нанобиотехнологий, экологической защиты, магнитных сенсоров и магнитных носителей записи [1–11]. Развитие магнитных носителей записи ограничено суперпарамагнетизмом [12] и плоским пределом записи. Перпендикулярная запись включает запись данных в вертикальных, трехмерных колонках вместо двух измерений. Для преодоления этих ограничений можно инновировать и улучшить либо структуру наноматериалов, либо эффективную анизотропию материала. Ферромагнитные цилиндры предлагаются как среда для достижения этой цели.

Ферромагнитные цилиндры включают магнитные многослойные нанопровода, нанокабели, ферромагнитные нанотрубки и нанопровода. По сравнению с ферромагнитными нанотрубками и нанопроводами, магнитные многослойные нанопровода и нанокабели эффективно улучшили магнитные свойства [13–16] и расширили области применения. Среди различных методов приготовления, шаблонный метод является одним из наиболее распространенных. Размер, форма и структурные свойства электролитически осажденных наноцилиндров контролируются шаблоном и параметрами электролитического осаждения. Всем известно, что постоянные магнитные материалы состоят из ферромагнитных материалов и редкоземельного металла. Вдохновленные этим, ферромагнитные нанопровода, легированные редкоземельным элементом, приготовили и могут изменить магнитные свойства композитов [17]. Насколько нам известно, Nd-легированные магнитные нанокабели редко сообщались. Мы приготовили серию редкоземельно-легированных многослойных нанокабельных массивов и исследовали их магнитные свойства [18].

Здесь представлен краткий обзор современного метода приготовления нанокабелей без использования модифицирующих агентов. Мы использовали анодизированный алюминиевый оксид (ААО) шаблон, имеющий регулярные каналы и широкий диапазон размеров, подходящий для нанотрубок, нанопроводов и нанокабелей, для приготовления Nd/FM (FM=Fe, Co, Ni)/PA66 тройных коаксиальных нанокабелей слой за слоем. Внешний слой PA66 нанотрубок изготавливали смачиванием полимерным раствором ААО шаблона. Внешняя оболочка, состоящая из полимерной нанотрубки, может защитить внутреннее металлическое ядро от окисления и эрозии и сохранить отличную проводимость и магнетизм. Средний ферромагнитный нанослой и внутренние Nd нанопровода электролитически осаждались, и, в свою очередь, электролитическое осаждение может эффективно контролировать геометрическую структуру. Магнитные свойства коаксиальных нанокабелей изучались.

Методы

Приготовление PA66 нанотрубок и рабочего электрода

Полиамид 66 (PA66) нанотрубки можно получить смачиванием ААО шаблонов (диаметр около 200 нм, толщина около 60 мкм) 2–6 вес% PA66 муравьиной кислотой раствором. Каплю PA66 раствора помещали на стекольный слайд, затем кусок ААО шаблона накрывали на PA66 растворе. PA66 нанотрубки получали через 40 с. Слой PA66 пленки обрабатывали муравьиной кислотой, чтобы сделать PA66 нанотрубки открытыми. Затем тонкую пленку Au напыляли на сторону PA66/ААО композитной мембраны для служения рабочим электродом.

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

Электролитные растворы приготовили из 0,7 M Ni²⁺, 0,8 M Co²⁺ и 0,8 M Fe²⁺ водных растворов отдельно. –1,0 В/SCE для Ni²⁺, –1,2 В/SCE для Co²⁺ и –1,2 В/SCE для Fe²⁺ использовали для приготовления Ni, Co и Fe нанотрубок соответственно в PA66 нанотрубках в течение 15 мин для получения FM/PA66 двойных нанотрубок.

Приготовление Nd/FM/PA66 коаксиальных нанокабелей

1,0 M Nd³⁺ электролитный раствор приготовили, а затем –2,5 В постоянного тока вводили для приготовления Nd нанопроводов в FM/PA66 коаксиальных нанотрубках в течение 60 мин для формирования Nd/FM/PA66 коаксиальных нанокабелей.

В вышеуказанном эксперименте по электролитическому осаждению платиновую пленку использовали как контрэлектрод и Ag/AgCl электрод в насыщенном KCl растворе как референсный электрод. Рисунок 1 показывает схему приготовления трехслойных нанокабелей:

Схема приготовления трехслойного нанокабеля: (A) ААО шаблон, (B) полимерный раствор, (C) полимерная нанотрубка, (D) полимерная мембрана, (E) и (F) структурные и сечение чертежи нанокабеля

Характеризация

Сканирующая электронная микроскопия (SEM; JEOL JSM-6390LV) и передающая электронная микроскопия (TEM; CM200-FEG с GIF) использовали для характеристики наноструктур. Для TEM измерения каплю (5 мкл) разбавленного образца помещали на медную сетку и испаряли перед наблюдением. Элементный анализ идентифицировали рентгеновской дифракцией (XRD; Bruker D8 Advance с Cu-Kα излучением, λ = 1,5418 Å). Магнитизационные измерения FM двойных нанотрубок и Nd/FM/PA66 нанокабелей проводили при комнатной температуре на вибрирующем образце магнетометре (VSM; Lakeshore 7307).

Результаты и обсуждение

Мы провели серию экспериментов по условиям для обеспечения лучших условий, заставляющих PA66 нанотрубки и FM нанотрубки расти в одинаковую длину. Наноструктура FM/PA66 нанотрубок показана на Рис. 2. Как видно из SEM изображений на Рис. 2а, в, е, FM нанотрубки и PA66 нанотрубки почти одинаковой длины, и устья нанотрубок почти открыты. После удаления ААО шаблона FM/PA66 нанотрубки образовали регулярные массивы. TEM изображения дополнительно подтверждают наноструктуру двойных слоев нанотрубок. Как видно из Рис. 2б, д, ф, стенки PA66 нанотрубок как ножны непрерывны. И наночастицы FM равномерно распределены на внутренней стенке PA66 нанотрубок. Как описано в нашем предыдущем исследовании [19], диаметр наночастиц около 5 нм, и каждая наночастица рассматривается как магнитная домена. Определенное количество FM наночастиц соединились вместе для формирования FM нанотрубок. Следовательно, PA66 нанотрубки и FM нанотрубки сформировали двухслойные коаксиальные нанотрубки.

SEM изображения: а Ni/PA66, в Co/PA66, г Fe/PA66; TEM изображения: б Ni/PA66, д Co/PA66 и ф Fe/PA66

Редкоземельные металлы — один из элементов постоянных магнитов. Вдохновленные этим, Nd электролитически осаждали в вышеуказанные двухслойные нанотрубки для создания трехслойных коаксиальных нанокабелей. Морфология Nd/FM/PA66 наноструктуры показана на Рис. 3. SEM изображения показывают, что наноструктуры многослойные и имеют почти одинаковую длину (параметры размеров наноструктур показаны в Таблице 1). Контраст между интерфейсами полимера и металла четко виден на TEM изображениях. Поэтому TEM изображение Nd/Ni/PA66 нанокабеля на Рис. 3б показывает, что контраст четок между внешним слоем и внутренним слоем. Внешний слой — PA66 нанотрубка с равномерной и непрерывной стенкой, а внутренний слой состоит из Nd и Ni. Показано, что внутренний слой компактен. Контраст не может быть распознан между Nd и Ni, потому что они оба металлы. Как видно из Рис. 3д, ф, очевидно, что наноструктура имеет ядро/оболочку структуру. Точно так же четок контраст между интерфейсами PA66 и FM и нечеток между двумя металлами.

SEM изображения: а Nd/Ni/PA66, в Nd/Co/PA66, г Nd/Fe/PA66; типичные TEM изображения: б Nd/Ni/PA66, д Nd/Co/PA66 и ф Nd/Fe/PA66

Рентгеновский дифракционный паттерн для образца показан на Рис. 4. Отчетливые дифракционные пики, наблюдаемые при 2θ 44,32° и 75,72°, соответствуют дифракционным пикам (111) и (220) кристаллических плоскостей Co, и дифракционные пики Fe (101) и Fe (105) соответствуют 2θ = 44,32° и 77,56°, и дифракционные пики Ni (011) и Ni (103) соответствуют 2θ = 44,32° и 77,56° соответственно. 2θ = 77,56° также типичный дифракционный пик Nd (206). Дифракционные пики (2θ 37,78°, 64,48°, 77,56° и 81,77°) Au, введенные напыленной Au пленкой для электролитического осаждения, комплексны, потому что значение Au велико, поэтому некоторые пики Au перекрывают пики Fe, Co и Ni.

Рентгеновские дифракционные паттерны Nd/Ni/PA66, Nd/Co/PA66 и Nd/Fe/PA66

Магнетизм всех образцов, инкапсулированных в ААО шаблон, измеряли. ААО шаблоны имеют определенное количество антимагнетизма и слегка снижают магнитную энергию образцов. Рис. 5а–ф показывает гистерезисные петли намагничивания (M-H) для FM/PA66 нанотрубок и Nd/FM/PA66 нанокабелей. Видно, что и нанотрубки, и нанокабели имеют магнитную анизотропию. Очень легко понять, что две системы имеют одинаковый внешний диаметр, который определяет магнитную анизотропию нанотрубок и нанокабелей. Магнетизм нанокабелей сильнее, чем нанотрубок после осаждения Nd. Это потому, что Nd, как типичный редкоземельный металл, обладает большим спин-орбитальным сцеплением, когда Nd наночастицы диффундируют в FM в композитном интерфейсе и работают вместе с FM металлами, что приводит к синергетическому эффекту и усиливает магнитную анизотропию Nd/FM/PA66 нанокабелей [20]. Согласно Рис. 5, магнитные параметры трех систем показаны в Таблице 2. Ясно видно, что магнитные параметры нанокабелей, такие как коэрцитивная сила и остаточная намагниченность параллельно длинной оси, больше, чем в перпендикулярном направлении и нанотрубок.

Гистерезисные петли: а Ni/PA66, б Nd/Ni/PA66, в Fe/PA66, г Nd/Fe/PA66, д Co/PA66 и е Nd/Co/PA66

Заключение

Nd/FM (FM=Fe, Ni, Co)/PA66 трехслойные нанокабельные массивы успешно приготовлены соответственно. Nd/FM/PA66 нанокабели показывают высокую магнитную анизотропию благодаря характеристикам редкоземельного металла и его синергетическому эффекту с FM. Нанокабельные массивы не только предоставляют новую магнитную наноструктуру, но и имеют потенциальное применение в перпендикулярном магнитном хранении и электронных приборах.

Аббревиатуры

AAO:

Анодизированный алюминиевый оксид

FM:

Fe, Co, Ni

M-H:

Гистерезисные петли намагничивания

PA66:

Полиамид 66

SEM:

Сканирующая электронная микроскопия

TEM:

Передающая электронная микроскопия

XRD:

Рентгеновское дифракционное анализ