Fe—Co—Ni納米線(xiàn)陣列的制備及磁學(xué)性能研究

左志立 李越星

摘 要：文章中，我們以陽(yáng)極氧化鋁膜作為模板，通過(guò)直流電化學(xué)沉積的方法成功地制備出了Fe-Co-Ni三元合金納米線(xiàn)有序陣列。通過(guò)納米線(xiàn)陣列的形貌和結(jié)構(gòu)的研究，發(fā)現(xiàn)Fe-Co-Ni納米線(xiàn)直徑均一且與模板孔徑相等，具有多晶結(jié)構(gòu)。最后通過(guò)振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（VSM）對(duì)Fe-Co-Ni納米線(xiàn)陣列磁性進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，納米線(xiàn)陣列在平行和垂直方向上的矯頑力和剩磁比均有所不同，表現(xiàn)出較強(qiáng)的磁各向異性，這是由其大的長(zhǎng)徑比而引起的大的形狀各向異性和本身較大的磁晶各向異性決定的。

關(guān)鍵詞：氧化鋁模板；Fe-Co-Ni納米線(xiàn)；電化學(xué)沉積；磁學(xué)性能

中圖分類(lèi)號(hào)：TB383 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）19-0113-03

Abstract： In this paper， Fe-Co-Ni ternary alloy nanowire arrays were successfully prepared by direct current electroless deposition using anodic alumina film as template. By studying the morphology and structure of the nanowire array， it is found that Fe-Co-Ni nanowires are homogeneous in diameter and have the same pore size as the template， and have polycrystalline structure. Finally， the magnetic properties of Fe-Co-Ni nanowire arrays are studied by vibrating sample magnetometer （VSM）. The results show that the coercivity and remanence ratio of the nanowire arrays are different in parallel and vertical directions， showing strong magnetic anisotropy. This is determined by the large shape anisotropy caused by its large aspect ratio and its own larger magnetocrystalline anisotropy.

Keywords： alumina template； Fe-Co-Ni nanowires； electrochemical deposition； magnetic properties

引言

磁性納米線(xiàn)陣列具有重要的基礎(chǔ)和應(yīng)用特性，它們的小尺寸和可調(diào)性能使其適用于常規(guī)器件的最小化應(yīng)用領(lǐng)域中，如磁存儲(chǔ)器件，自旋電子學(xué)和傳感器[1-3]。要在特定應(yīng)用中使用磁性納米線(xiàn)陣列，至關(guān)重要的是適當(dāng)?shù)卣{(diào)整它們的磁性。形狀各向異性，線(xiàn)間靜磁偶極相互作用和磁晶各向異性對(duì)確定納米線(xiàn)陣列的磁性行為有重要貢獻(xiàn)[4，5]。

與此同時(shí)，納米線(xiàn)可以大大提高磁存儲(chǔ)材料的存儲(chǔ)密度，在高密度磁存儲(chǔ)領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值[6-8]。其中，最為突出的是在鐵磁-鐵磁合金磁性納米線(xiàn)陣列，其具有高的剩磁比和矯頑力，但這些研究都是集中在單質(zhì)或者二元合金的磁性納米線(xiàn)當(dāng)中，而關(guān)于三元合金磁性納米線(xiàn)陣列的研究相對(duì)較少。尤其是Fe-Co-Ni具有較好的磁學(xué)性能，以及較大的矯頑力和磁化強(qiáng)度，在磁存儲(chǔ)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用[9-11]。因此，對(duì)Fe-Co-Ni納米線(xiàn)陣列的研究具有重要的意義。

制備合金納米線(xiàn)陣列的方法多種多樣，在本文中，我們采用的是利用模板為成型基底，通過(guò)電化學(xué)沉積的方法法制備合金納米線(xiàn)陣列。該模板孔洞呈有序平行排列，孔徑可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求可調(diào)[12]。因此在本文中，我們報(bào)道了在模板的基礎(chǔ)上，通過(guò)電沉積來(lái)制備Fe-Co-Ni磁性納米線(xiàn)陣列，并探究了其磁學(xué)性能。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

在本文中，我們將通過(guò)二次氧化的方法制備具有均一孔徑的氧化鋁（AAO）模板，具體實(shí)施方法如文獻(xiàn)所述[13，14]。需要注意的是第一次陽(yáng)極氧化通常需要16個(gè)小時(shí)才能在氧化鋁/鋁的界面上形成自組裝的孔道。這一步驟的時(shí)間越長(zhǎng)，氧化鋁/鋁界面孔隙的密度就越高。并利用電化學(xué)沉積法在模板孔洞中生長(zhǎng)多種具有均一直徑為75nm的金屬納米線(xiàn)。

沉積液的配制為：NiSO4·5H2O（80g/L）、CoSO4·7H2O

（80g/L）、FeSO4·7H2O（80g/L）、H3BO3（40g/L）、C6H6O5（10g/L）。

將配置好的電解液倒入電解池中，陽(yáng)極氧化鋁膜為陽(yáng)極，石墨板為陰極。沉積反應(yīng)在3V的直流電壓下進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

在多孔陽(yáng)極氧化鋁膜的研究中，我們利用掃描電子顯微鏡，對(duì)膜的表面進(jìn)行分析。

圖1中的SEM圖像顯示了本研究中使用的多孔氧化鋁模板的俯視圖。如圖所示，其是在0.3M硫酸溶液中進(jìn)行后續(xù)蝕刻處理20分鐘后進(jìn)行陽(yáng)極氧化，所有樣品的孔間距相同。估計(jì)納米孔道的擴(kuò)張速率約為每分鐘1.2nm。也可以看到，在蝕刻處理20分鐘后納米孔道寬至75nm，即孔的平均直徑約為75nm，納米孔的長(zhǎng)度約為幾十微米（側(cè)面圖沒(méi)有顯示出來(lái)）。實(shí)驗(yàn)證明，可以通過(guò)改變陽(yáng)極氧化時(shí)間來(lái)控制納米孔的直徑。從圖中可以看到，經(jīng)過(guò)一次氧化并去膜處理得到的模板孔徑呈六方棱柱形，大小均勻，在晶粒范圍內(nèi)排列一致有序。

為了確定所制備納米線(xiàn)的形貌和微觀結(jié)構(gòu)，采用透射電子顯微鏡對(duì)單根納米線(xiàn)的形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察。在進(jìn)行透射電鏡觀察以前首先將Fe-Co-Ni納米線(xiàn)從AAO模板中剝離出來(lái)。圖2（a）和（b）分別是Fe-Co-Ni納米線(xiàn)陣列的多根分散納米線(xiàn)TEM圖和單根納米線(xiàn)TEM圖，從單根納米線(xiàn)TEM圖可知道，該納米線(xiàn)的直徑均勻，可以看出直徑約為75nm，說(shuō)明該納米線(xiàn)形貌完全復(fù)制了AAO模板的結(jié)構(gòu)，圖2（c）和（d）分別是梯度直徑的Fe-Co-Ni納米線(xiàn)陣列的電子選區(qū)衍射圖和EDX圖，可以看出該納米線(xiàn)也為多晶結(jié)構(gòu)，其三種元素之比為1：1：1。

圖3是Fe-Co-Cu納米線(xiàn)陣列與多孔氧化鋁模板組裝體系的X射線(xiàn)衍射圖譜。從圖3的分析可知，出現(xiàn)bcc的Fe7Co3（110）和Fe7Co3（200）晶面的強(qiáng)衍射峰。這表明Fe-Co-Ni納米線(xiàn)中的Fe-Co晶粒沿著（110）、和（200）方向生長(zhǎng)，且它在（110）和（200）方向有較強(qiáng)的擇優(yōu)取向性。此外還有明顯出現(xiàn)fcc的Fe0.64Ni0.36（111）、（200）和（220）晶面的衍射峰。這表明Fe-Co-Ni納米線(xiàn)中的Fe-Ni晶粒沿著Fe0.64Ni0.36（111）、（200）和（220）方向生長(zhǎng)，且同時(shí)在這三個(gè)方向有比較一致的擇優(yōu)取向性。多孔氧化鋁模板本身為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，不會(huì)產(chǎn)生晶體衍射峰。由此可見(jiàn)在所沉積的復(fù)相結(jié)構(gòu)的納米陣列中，同時(shí)包含了fcc Fe-Ni和bcc Fe-Co合金兩種相結(jié)構(gòu)。

在Fe-Co-Ni納米線(xiàn)陣列中測(cè)量了磁滯回線(xiàn)，其中在平行和垂直納米線(xiàn)的方向上施加外加磁場(chǎng)。圖4顯示了對(duì)Fe-Co-Ni納米線(xiàn)陣列在兩個(gè)不同方向上測(cè)量的磁滯回線(xiàn)。從圖中可以看出，垂直方向和平行方向上的磁滯回線(xiàn)形狀不一樣，其平行和垂直方向的磁滯回線(xiàn)有著非常明顯的磁各向異性，每個(gè)方向上的矯頑力和剩磁比均不相同，而且相差較大，這主要是由于納米線(xiàn)直徑小而導(dǎo)致非常大的形狀各向異性從而引起的非常大的磁性差異。如圖4所示，平行納米線(xiàn)方向的矯頑力和垂直于納米線(xiàn)方向的矯頑力分別為372和55，與相似組份的膜材料比較起來(lái)有很大的提高。本文中納米線(xiàn)的長(zhǎng)徑比達(dá)400，這種高長(zhǎng)徑比的形貌特性是導(dǎo)致大矯頑力和磁各向異性的原因。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文中我們制備了多孔氧化鋁模板以及基于這種模板采用電化學(xué)沉積的方法制備了Fe-Co-Ni納米線(xiàn)陣列。掃描電子顯微鏡（SEM）表征結(jié)果表明：制備的Fe-Co-Ni納米線(xiàn)具有均一的直徑，直徑為約75 nm。在對(duì)Fe-Co-Ni納米線(xiàn)陣列進(jìn)行X射線(xiàn)衍射分析時(shí)，衍射圖上出現(xiàn)fcc結(jié)構(gòu)的Fe0.64Ni0.36（111）、（200）和（211）的衍射峰，還有bcc結(jié)構(gòu)的Fe7Co3（110）和（200）的衍射峰，說(shuō)明得到的納米線(xiàn)結(jié)晶在這些方向上存在擇優(yōu)取向。Fe-Co-Ni納米線(xiàn)陣列的易磁化方向沿著納米線(xiàn)軸向，即垂直于膜面，且具有較高的磁各向異性。

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