模板制备的Ni与Fe纳米线阵列的磁性研究.pdf
左志立 李越星
摘 要：文章中，我们以阳极氧化铝膜作为模板，通过直流电化学沉积的方法成功地制备出了Fe-Co-Ni三元合金纳米线有序阵列。通过纳米线阵列的形貌和结构的研究，发现Fe-Co-Ni纳米线直径均一且与模板孔径相等，具有多晶结构。最后通过振动样品磁强计（VSM）对Fe-Co-Ni纳米线阵列磁性进行了研究，结果发现，纳米线阵列在平行和垂直方向上的矫顽力和剩磁比均有所不同，表现出较强的磁各向异性，这是由其大的长径比而引起的大的形状各向异性和本身较大的磁晶各向异性决定的。
关键词：氧化铝模板；Fe-Co-Ni纳米线；电化学沉积；磁学性能
中图分类号：TB383 文献标志码：A 文章编号：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
磁性纳米线阵列具有重要的基础和应用特性，它们的小尺寸和可调性能使其适用于常规器件的最小化应用领域中，如磁存储器件，自旋电子学和传感器[1-3]。要在特定应用中使用磁性纳米线阵列，至关重要的是适当地调整它们的磁性。形状各向异性，线间静磁偶极相互作用和磁晶各向异性对确定纳米线阵列的磁性行为有重要贡献[4，5]。
与此同时，纳米线可以大大提高磁存储材料的存储密度，在高密度磁存储领域有重要的应用价值[6-8]。其中，最为突出的是在铁磁-铁磁合金磁性纳米线阵列，其具有高的剩磁比和矫顽力，但这些研究都是集中在单质或者二元合金的磁性纳米线当中，而关于三元合金磁性纳米线阵列的研究相对较少。尤其是Fe-Co-Ni具有较好的磁学性能，以及较大的矫顽力和磁化强度，在磁存储领域具有重要的应用[9-11]。因此，对Fe-Co-Ni纳米线阵列的研究具有重要的意义。
制备合金纳米线阵列的方法多种多样，在本文中，我们采用的是利用模板为成型基底，通过电化学沉积的方法法制备合金纳米线阵列。该模板孔洞呈有序平行排列，孔径可根据实验需求可调[12]。因此在本文中，我们报道了在模板的基础上，通过电沉积来制备Fe-Co-Ni磁性纳米线阵列，并探究了其磁学性能。
1 实验过程
在本文中，我们将通过二次氧化的方法制备具有均一孔径的氧化铝（AAO）模板，具体实施方法如文献所述[13，14]。需要注意的是第一次阳极氧化通常需要16个小时才能在氧化铝/铝的界面上形成自组装的孔道。这一步骤的时间越长，氧化铝/铝界面孔隙的密度就越高。并利用电化学沉积法在模板孔洞中生长多种具有均一直径为75nm的金属纳米线。
沉积液的配制为：NiSO4·5H2O（80g/L）、CoSO4·7H2O
（80g/L）、FeSO4·7H2O（80g/L）、H3BO3（40g/L）、C6H6O5（10g/L）。
將配置好的电解液倒入电解池中，阳极氧化铝膜为阳极，石墨板为阴极。沉积反应在3V的直流电压下进行。
2 结果与讨论
在多孔阳极氧化铝膜的研究中，我们利用扫描电子显微镜，对膜的表面进行分析。
图1中的SEM图像显示了本研究中使用的多孔氧化铝模板的俯视图。如图所示，其是在0.3M硫酸溶液中进行后续蚀刻处理20分钟后进行阳极氧化，所有样品的孔间距相同。估计纳米孔道的扩张速率约为每分钟1.2nm。也可以看到，在蚀刻处理20分钟后纳米孔道宽至75nm，即孔的平均直径约为75nm，纳米孔的长度约为几十微米（侧面图没有显示出来）。实验证明，可以通过改变阳极氧化时间来控制纳米孔的直径。从图中可以看到，经过一次氧化并去膜处理得到的模板孔径呈六方棱柱形，大小均匀，在晶粒范围内排列一致有序。
为了确定所制备纳米线的形貌和微观结构，采用透射电子显微镜对单根纳米线的形貌和结构进行了观察。在进行透射电镜观察以前首先将Fe-Co-Ni纳米线从AAO模板中剥离出来。图2（a）和（b）分别是Fe-Co-Ni纳米线阵列的多根分散纳米线TEM图和单根纳米线TEM图，从单根纳米线TEM图可知道，该纳米线的直径均匀，可以看出直径约为75nm，说明该纳米线形貌完全复制了AAO模板的结构，图2（c）和（d）分别是梯度直径的Fe-Co-Ni纳米线阵列的电子选区衍射图和EDX图，可以看出该纳米线也为多晶结构，其三种元素之比为1：1：1。
圖3是Fe-Co-Cu纳米线阵列与多孔氧化铝模板组装体系的X射线衍射图谱。从图3的分析可知，出现bcc的Fe7Co3（110）和Fe7Co3（200）晶面的强衍射峰。这表明Fe-Co-Ni纳米线中的Fe-Co晶粒沿着（110）、和（200）方向生长，且它在（110）和（200）方向有较强的择优取向性。此外还有明显出现fcc的Fe0.64Ni0.36（111）、（200）和（220）晶面的衍射峰。这表明Fe-Co-Ni纳米线中的Fe-Ni晶粒沿着Fe0.64Ni0.36（111）、（200）和（220）方向生长，且同时在这三个方向有比较一致的择优取向性。多孔氧化铝模板本身为非晶态结构，不会产生晶体衍射峰。由此可见在所沉积的复相结构的纳米阵列中，同时包含了fcc Fe-Ni和bcc Fe-Co合金两种相结构。
在Fe-Co-Ni纳米线阵列中测量了磁滞回线，其中在平行和垂直纳米线的方向上施加外加磁场。图4显示了对Fe-Co-Ni纳米线阵列在两个不同方向上测量的磁滞回线。从图中可以看出，垂直方向和平行方向上的磁滞回线形状不一样，其平行和垂直方向的磁滞回线有着非常明显的磁各向异性，每个方向上的矫顽力和剩磁比均不相同，而且相差较大，这主要是由于纳米线直径小而导致非常大的形状各向异性从而引起的非常大的磁性差异。如图4所示，平行纳米线方向的矫顽力和垂直于纳米线方向的矫顽力分别为372和55，与相似组份的膜材料比较起来有很大的提高。本文中纳米线的长径比达400，这种高长径比的形貌特性是导致大矫顽力和磁各向异性的原因。
3 结束语
本文中我们制备了多孔氧化铝模板以及基于这种模板采用电化学沉积的方法制备了Fe-Co-Ni纳米线阵列。扫描电子显微镜（SEM）表征结果表明：制备的Fe-Co-Ni纳米线具有均一的直径，直径为约75 nm。在对Fe-Co-Ni纳米线阵列进行X射线衍射分析时，衍射图上出现fcc结构的Fe0.64Ni0.36（111）、（200）和（211）的衍射峰，还有bcc结构的Fe7Co3（110）和（200）的衍射峰，说明得到的纳米线结晶在这些方向上存在择优取向。Fe-Co-Ni纳米线阵列的易磁化方向沿着纳米线轴向，即垂直于膜面，且具有较高的磁各向异性。
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