Au摻雜對L10相FePt納米顆粒的結構和磁性的影響

楊景海，姜雨虹

(吉林師范大學物理學院，吉林 四平 136000)

0 引言

近年來，具有面心四方結構(即FCT結構)的L10-FePt納米顆粒引起了人們的廣泛關注，因為具有L10結構的FePt合金具有非常高的磁晶各向異性能(Ku約107erg/cm3)［1-2］和超高的化學穩(wěn)定性［3-4］，是超高密度磁記錄介質(zhì)的首選材料［5-7］.然而直接制備出的FePt顆粒一般具有無序的面心立方結構(即FCC結構)，其化學性質(zhì)為很低的磁晶各向異性和軟磁性，這都不利于它的應用.要想把FePt顆粒從無序相轉化為有序相，需要500℃以上的高溫退火［8-9］.但是，如此高的退火溫度會損害FePt顆粒的表面性質(zhì)，從而導致顆粒的增長和團聚的發(fā)生，以上提到的問題對于將其應用于超高密度磁記錄非常不利.此外，高溫退火在工藝上很難達到要求，不利于其廣泛的生產(chǎn).很多研究者致力于降低FePt發(fā)生相轉變所需要的燒結溫度.其中在FePt中添加第三種金屬，例如Au，Cu或Ag可以有效的解決這一問題［10-14］.雖然FePt的相轉變溫度降低了，但是合成時需要的Fe(CO)5試劑卻有很大的毒性，這很不利于FePt的工業(yè)生產(chǎn).

在本篇文章中，我們用改進的溶膠—凝膠法合成了(FePt)100-xAux(x=0%，5%，10%，20%)納米顆粒，并且用無毒的Fe(NO3)3試劑代替有毒的Fe(CO)5.同時，我們研究了Au含量對FePt顆粒結構和磁學性能的影響.

1 實驗

1.1 樣品制備

用改進的溶膠—凝膠法合成了(FePt)100-xAux納米顆粒，其中x=0%，5%，10%，20%.制備樣品所需試劑主要包括:九水合硝酸鐵(Fe(NO3)3·9H2O)、六水合氯鉑酸(H2PtCl6·6H2O)、一水合檸檬酸(C6H8O7·H2O)、四氯金酸(AuCl3·HCl·4H2O)，所有藥品純度均為分析純.主要的實驗步驟在我們之前發(fā)表的論文上已經(jīng)闡述過了［15］.其中做出的主要改進就是:當?shù)玫接陕茹K酸、硝酸鐵和檸檬酸作為反應原料攪拌后形成的FePt濕溶膠后，還需繼續(xù)在混合溶液中分別加入不同摩爾濃度的四氯金酸溶液，隨后將得到的溶液繼續(xù)攪拌得到FePtAu濕溶膠.然后將FePtAu濕溶膠放在干燥箱中，在80℃下干燥24 h，得到干溶膠.然后升溫至130℃脫水膨化得到樣品的前驅體，最后將前驅體在氬氣氣氛中進行600℃熱處理2 h后，即可制備得到(FePt)100-xAux納米顆粒.

1.2 樣品表征

晶體結構通過D/max-2500型X射線衍射儀(XRD)和日本電子JEM-2100HR型透射電子顯微鏡(TEM)進行表征.在±2 T場強下采用Lake Shore的7407型振動樣品磁強計(VSM)對退火后的樣品進行磁性測量.

2 結果與討論

圖1為添加不同含量的Au的FePt顆粒的XRD譜圖.對于沒添加Au的(FePt)100Au0樣品而言，超晶格衍射峰(001)和(110)在23.86°和 32.83°觀察到，并且可以看到(200)衍射峰劈裂為(200)和(002)兩個峰，這些位置和面心四方結構的FePt的JCP-DS標準卡片(No.43-1359)吻合，證明形成了有序的L10相FePt.此外，40.10°所對應的(111)衍射峰和無序相的FePt對應，這說明此時是有序相和無序相FePt共存的狀態(tài).然而，在(FePt)100-xAuxNPs(x=5%，10%，20%)這三個樣品中已經(jīng)看不到無序相的衍射峰存在，說明這幾個樣品只有有序相存在.這表明添加Au可以促進FePt顆粒從無序相向有序相的轉變，并且和不添加的樣品相比，相轉變溫度至少降低了100℃［16］.同時，在添加Au的樣品中我們可以清楚的看見Au的衍射峰，并且衍射峰的強度隨著Au含量的增多逐漸加強，這是由于Au具有較低的表面能，所有它很容易從FePt合金中分離出來［17］.

圖1 600℃退火后所制得的(FePt)100-xAux樣品的XRD譜圖

圖2為沒有添加Au時FePt納米顆粒的TEM圖片.從TEM圖上可以看出，納米顆粒近似于球形，樣品的分散性總體上較好.從圖2(a)的選區(qū)電子衍射圖(SAED)中我們可以看到有序相FePt的超晶格衍射峰(001)和(110).圖2(b)的高分辨電子衍射圖表明樣品的晶格間距為0.220nm，這一結果和有序相FePt的(111)晶面相對應.通過高斯分布我們可以計算出樣品的平均晶粒尺寸在12.6nm左右(圖2(c)).

圖2 (a)(FePt)100Au0的透射電鏡圖，插圖為樣品的選區(qū)電子衍射圖，(b)樣品的高分辨圖譜，(c)樣品的晶粒尺寸分布圖

相對于不添加Au的純FePt納米顆粒，(FePt)90Au10樣品的平均晶粒尺寸增加到了22nm左右，如圖3(a)所示.Nandwana等人也報道了相似的結果，并認為晶粒尺寸的增加可能是由于Au的表面能較低［18］.圖3(a)中的插圖為樣品的選區(qū)電子衍射圖，我們可以看到樣品的(001)，(110)，(111)，(200)，(220)和(311)衍射環(huán)，這表明Au的添加沒有破壞FePt的有序相結構.從圖3(b)的高分辨衍射圖可以測量出樣品的晶面間距為0.220nm，這和L10相FePt的(111)晶面是相吻合的，這個結果也與XRD的結果相互佐證.

圖3 (a)(FePt)90Au10的透射電鏡圖，插圖為樣品的選區(qū)電子衍射圖，(b)樣品的高分辨圖譜

圖4是(FePt)100-xAux(x=0%，10%，20%)納米顆粒的磁滯回線.從該圖可以看出，不摻雜Au的(FePt)100Au0樣品的矯頑力僅有5250 Oe，當Au的摻雜含量為10 at.%時，矯頑力增加到9585 Oe，矯頑力的增大是由于Au的摻雜降低了FePt的有序化溫度，提高了FePt的有序化程度;另一方面，Au摻雜使粒子的平均晶粒尺寸增加，這和前面的TEM測試結果一致.當進一步把Au的含量提高到20 at.%，時，矯頑力的值反而下降了，這和之前Kang等人報道的結果相同［19］.

圖4 室溫下(FePt)100-xAux的M-H曲線

3 結論

我們用改進后的溶膠—凝膠法成功合成了(FePt)100-xAux(x=0%，5%，10%，20%)納米顆粒，經(jīng)過600℃的退火處理后，(FePt)90Au10樣品的矯頑力可以達到9585 Oe，這與相同溫度下不摻雜時FePt顆粒的5250 Oe有很大的提高.另外，Au的摻雜可以有效的降低FePt的相轉變溫度，并且使晶粒的平均尺寸增大.

［1］Y.B.Li，Y.F.Lou，L.R.Zhang，et al.Effect of magnetic field annealing on microstructure and magnetic properties of FePt films［J］.J.Magn.Magn.Mater.，2010，322:3789 ～3791.

［2］C.W.Chang，H.W.Chang，C.H.Chiu，et al.Investigation of magnetic properties，phase evolution，and microstructure of Fe56.7Pt25.3M2B16(M=Ta，Nb，Ti，and Zr)melt-spun ribbons［J］.J.Alloys Compd.，2008，449:15 ～18.

［3］F.Liscio，D.Makarov，M.Maret，et al.Growth，structure and magnetic properties of FePt nanostructures on NaCl(001)andmgO(001)［J］.Nanotechnology.，2010，21:065602 ～065611.

［4］K.Utsumiya，T.S.K.Takanashi.Magnetic properties of L10-FePt/permalloy exchange-spring films［J］.J.Appl.Phys.，2011，110:103911 ～103916.

［5］J.L.Tsai，H.T.Tzeng，G.B.Lin，et al.The Ag effect on magnetic properties and microstructure of FePt/Ag2Te particulate films［J］.J.Alloys Compd.，2010，502:456 ～460.

［6］J.K.Park，W.H.Lee，J.H.Yoo，et al.A study of the perpendicular magnetic microstructure of the L10FePt epitaxial film using electron holography［J］.J.Appl.Phys.，2012，111:07E332 ～07E332.

［7］F.Q.Wang，X.H.Li，J.X.Guo，et al.Roles of nanocrystal interfaces on L10ordering phase transitions in FePt thin films［J］.J.Alloys Compd.，2010，508:512 ～515.

［8］L.Colak，G.C.Hadjipanayis.Evolution of texture and atomic order in annealed sinter-free FePt nanoparticles［J］.Nanotechnology，2008，19:235703～235707.

［9］W.B.Mi，J.J.Shen，W.J.Lu，et al.Composition and film thickness effects on microstructure and magnetic properties of ordered L10-structured Fe100－xPtxfilms［J］.J.Alloys Compd.，2010，503:233 ～236.

［10］L.Y.Lu，D.Wang，X.G.Xu，et al.Low temperature magnetic hardening in self-assembled FePt/Ag core-shell nanoparticles［J］.Mater.Chem.Phys.，2011，129:995 ～999.

［11］K.F.Dong，X.F.Yang，J.B.Yan，et al.Microstructure and magnetic properties of Ag/FePt double layer films with different cooling processes［J］.J.Alloys Compd.，2009，476:662 ～666.

［12］T.Maeda，T.Kai，A.Kikitsu，et al.Reduction of ordering temperature of an FePt-ordered alloy by addition of Cu［J］.Appl.Phys.Lett.，2002，80:2147～2149.

［13］S.S.Kang，D.E.Nikles，J.W.Harrell.Synthesis，chemical ordering，and magnetic properties of self-assembled FePt-Ag nanoparticles［J］.J.Appl.Phys.，2003，93:7178 ～7180.

［14］S.Kang，J.W.Harrell，D.E.Nikles.Reduction of the fcc to L10Ordering Temperature for Self-Assembled FePt Nanoparticles Containing Ag［J］.Nano Lett.，2002，2:1033 ～1036.

［15］J.H.Yang，Y.H.Jiang，Y.Liu，et al.Effects of SiO2content on the structure and magnetic properties of L10-FePt nanoparticles synthesized by the sol-gel method［J］.Mater.Lett.，2013，91:348 ～ 351.

［16］L.Yang，Y.H.Jiang，X.L.Zhang，et al.Effects of Annealing Temperature on the Structure and Magnetic Properties of the L10-FePt Nanoparticles Synthesized by the Modified Sol-gel Method［J］.Powder Technology，2013，239:217 ～ 222.

［17］O.Kitakami，Y.Shimda，K.Oikawa，et al.Low-temperature ordering of L10-CoPt thin films promoted by Sn，Pb，Sb，and Bi additives［J］.Appl.Phys.Lett.，2001，78:1104 ～1106.

［18］V.Nandwana，G.S.Chaubey，Y.Zhang，et al.Magnetic Properties of FexPtyAu100-x-yNanoparticles［J］.J.Nanosci.Nanotechno.，2010，10:2979～2983.

［19］S.Kang，Z.Jia，D.E.Nikles，et al.Synthesis，self-assembly，and magnetic properties of［FePt］1-xAuxnanoparticles［J］.IEEE T.MAGN.，2003，39:2753～2757.