钴铂纳米线阵列的制备与性能研究

钴铂纳米线阵列的制备与性能研究 钴铂纳米线阵列的制备与性能研究 第25卷第6期 2006年12月 电子显微 JournalofChineseElectronMicroscopySociety Vol一25.No.6 20o6—12 文章编号:1000—6281(2oo6)o6—463—05 钴铂纳米线阵列的制备与性能研究 牛宇然,张辉,陈子瑜,黄沛霖,武哲 (北京航空航天大学物理系,北京100083) 摘要:在具有纳米级孔洞的多孔氧化铝模板上,用电化学方法成功地制备了con]纳米线有序阵列复合膜.分 另q用透射电子显微镜(rI'EM),选区电子衍射(sAED),X射线衍射(xRD),振动样品磁强计(VSM)和超导量子干涉仪 (sQuID)对样品进行测试与 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 征.形貌观察和物相 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 表明,模板中的con]纳米线构成的5'1,排列均匀有序,相 互平行;而纳米线中的CoPt3为Ll无序结构.磁性研究表明,纳米线的无序晶体结构决定了纳米线5,1弱的磁晶 各向异性;同时纳米线中部分小晶粒在4OOK左右表现出顺磁性,导致纳米线阵列居里温度的下降.比较低温和室 温下的磁滞回线,低温下有大的矫顽力,从另一方面证明纳米线中的小晶粒确实存在相转变. 关键词:Con]纳米线;多孔阳极氧化铝;交流沉积;垂直各向异性 中图分类号:TB383;TG115.215.3;TG115.23;TG113.22文献标识码:A 作为新一代的高密度存储介质,C0Pth合金膜tC16,0.06mol/LCOSO4和0.7mo|ILHBO,混合溶液 及ColPt人工多层膜因其大的垂直磁各向异性和短(pH=3)中,以石墨板作为对电极,在电压12V,频 波下大的Kerr偏转角等优异的磁学,光学特性,在率200Hz下交流沉积5min,得到深褐色样品.为 过去几年里被广泛研究.其中,Co.Pt合金膜由便于测试,在饱和的HgCl溶液中把氧化铝膜从铝 Pt合箔上解离下来.将沉积了PtC.于制备简单而受到更多的关注.一般而言,Co— 的氧化铝膜在0. 1 金有三种合金相:CooPt(六角密堆),CoPt(L1o结mol/LNaOH溶液中溶解后,稀释至中性,再滴于透 构),CoPt3(L1结构).其中,与沉积条件密切关射电镜铜网上待用. 联具有垂直磁各向异性的co薄膜有可能成为新纳米线样品的结构,形貌和磁特性分别用 一 代磁光和垂直磁记录介质.与此同时,基于PHILIPS(X'PertPro)型x射线衍射仪,JEM.1200EX Co-Pt合金的分立图样记录介质已由国外的几个小型透射电 镜,LAKESHORE7304型振动样品磁强计 组利用离(电)子束刻蚀方法相继制备成功,其物理和QUANTUMDESIGN的MPMS.XL-7型超导量子干 特性优于连续薄膜介质n.由于离(电)子束刻涉仪进行测量与表征. 警耄工薏耋..耋詈2结果与讨论中受到限制.作为同时实现垂直和分立图样磁记录硐一1,-J? 介质的尝试,本文利用交流沉积法,在多孔氧化铝模图1和图2给出了典型样品的透射电镜照片. 板中制备了直径35nm,长度1.5;tm的CoPt3纳米线由图1a可见,所形成的纳米线粗细均匀.结合未解 阵列,并研究了其性质.离样品的电镜照片分析,纳米线阵列分布均匀而规 1 则,呈六角结构.纳米线的平均直径为35nm,长度 约为1m.根据氧化时间分析,并考虑纳米线解离 将厚度为0.5InIn的高纯铝箔(99.999%)清洗时有部分折断,估计完整纳米线的长度应在1.5Mm 后,在500~C退火5h,缓慢冷却使其重结晶.将其左右.从纳米线一端的局部放大图片(图1b)观察, 浸于乙醇,在超声波中再次清洗,而后在1mol/L可以看到纳米线由多晶粒组成,粗细均匀,无明显结 NaOH溶液中浸泡5min以除去氧化层.将铝箔作构缺陷,结晶较好.由图2可以看到,未分散开的纳 为阴极,在高氯酸和乙醇混合溶液中进行电化学抛米线相互平行排列,底端相互连接.有些纳米线出 光后,在0.6mol/L草酸溶液于l7?下阳极氧化1h.现的分权现象,应该是由于模板一次氧化时少数孔 利用未氧化的铝箔作为电极,在0.003mol/LH2P一洞生长不均匀造成的.对此,一 个直接的佐证是:在 收稿日期:2006-04—28;修订日期:2006.09一Ol 基金项目:国家自然科学基金重点项目(90305026)和教育部'高等学校骨干教师资助计划》[(200O)65号]资助的课题, 作者简介:牛宇然(1978一),男(汉族),黑龙江虎林人,博士研究生. 通讯作者:陈子瑜(1959一),男(汉族),河北人,教授,博士研究生导师.Email:chenzy@buaa.edu.cII. IB做JChin.ElectrMiew~,r第25巷 圈1甘触趣好的纳术哉a:为楹氧化铝碳板辫离的直径35nm的钻铂台余纳米鼓{liar=l0onm): 1l:为罔I的部分区域放大罔片(Bar:30rlm) FII'EMmwan?砌w】a:rEMintagel:,e[~traledPl‰?y~latmwif35nm山diallmlf.r?it templaterl~rfllcIIBar=100rim):Magnified'1EMimagerlfIledrPaofFigld(Bar30tim) 后来采用二次氧化方法"."制备的样品中未见有这 种分叔现象 图2未经分数f由纳沫线Bar=100lltrl Fig2_rKMimageofnI~uudIeofcPBar=l?n川 对图3.图4所示的X身于线衍射谙干l1选区电予 衔射分析并结合纳米线形貌的透射电镜詹l片,卉析表 明.CoPt纳米线为多品态.且呈L1无r手结构.并有 相对好的(11I)晶面取向其品格常数为386rim, 较Ll,有序机构的晶格常数稍大,这种富Pl无序 结构酌形成,源于电报附近的电化学厦虚: C0+2=Co,=0.287V; 【n+2e:Ptc:IJ+2(7,1',E..=E).848; 【PtC1.i+2e=Pt+4CI,E:0.98V,, 车嗣比于co的标准电位(一O287V).【Pr]具有更 罔3纳米线睥州的x射线衔射借 Fig3X—RaDlffralrticm(Xlid)s~ctraofPI?《ntianowin ? 高的沉积电位『(0.848×2+0.98×2)/4=+0.91 vj.即使证二者浓度比n:Co=1:20时,Pt们然有 较大的电流效率.因而n有更大的沉积量.同时, 由]二采用交流沉积,机积过程足个沉积一溶解一 沉积相互竞争的过程..因为反应速度相对溶解速度 较快.纳米线在交流沉积过程中形成无结构 图5给出了样品庄外fJJ]磁场平行膜丽(垂直纳 米线)和垂直膜而c平行纳水线)的磁滞回线由网 可见.两条曲线基木相似:相对十外加场难直膜面的 碰滞回线[其矫顽力f1.=?.06xAim(139 Oe)j.外加场平行膜面时具有较小的矫顽力f= 5.I7×10Aim(65Oe)磁滞回线分析表明,样品的 有靛避晶各向异性常数K和矫顽力.较小.,结 第6期牛事然等:钴铂纳米线阵列的制备与忡徒研究46j 图4纳米线的选区电子衍射煦片 'gig4AphoLographof~teeted】e(I'1fiediffraelkm (SAED)mr—Conanowir~s. 合x射线衍射结果.可将其归因于纳米线为长程无 序(LIfO)的结构(I1).对应于r分小的磁晶各 向异性由于n—co纳米线的饱和磁化强度也较小 (约?Oe肌7cn),因而形状各向异性对矫顽力 的贡献也不大,这与国际上其它,】,纽在CoPt薄膜 上的研究成果一致.'. 图5纳术线阵列的磁滞回线.炳坦回鼓丹别为外磁 场(I)垂直膜面,【2)平行膜面 Fig.5Magnetichysteresisloopsfortheas—def~itedseanples (1jOutf)F[dane:willIexternalfieldperpendicular thenannwireanLm.c21Inplane:withexternal field[ruralnarlov;iarrayfilnl 图6为样品的M.T曲线由图可见.样品的居 里温度在400K左右,较之块体材料的468K略 低,这是小尺寸效应的结果.由于CoPt纳米 线中存在纳术R度的小品粒,可能在一定温度F成 为超顺磁颗粒.在高温区表现为顺磁,从而降 低了纳米线阵列的居里温度一磁性系统的相干长度 ()随温度增加而增加,在转变温度处,满足如F 关系: 图6纳-求线昨列在l592xLO'Aim(20(1Oe1艘场 的M.T悯线 Fig6M?I'nlanowi~army~inIhe~xtenudfiell 0fJ5.92×lA/"1 车()=车"l.一(I) 这里.}是T=0时的相F【乏度.u是临界指数计 于尺寸为d的低维磁性系统(如这的磁性纳米 线).(T)随温度的增加而增大.扁罩温度随d变化 的关系可f_}1下式描述: f)=.f?)【l一(i)]c2 或者 L*)一.fd)f毛1" ——_于__\J 其中,T(d)足直径为d的纳_米线的居里温良,转化 指数^=1/u由3DHeisenberg模型手l=】3DIsing模型 可从理论f.预测^的值然而,迄令为止.很少有 c"Pb的相关理沦模型的报道从式l2)"以看j", 随着纳米绂直径d的减小屠啭温度(d)也减 小:由此町定性地理解其居里温度降低的物理机 带I 图7,图8分别为在1.9K和298KF采闩j SQUID洲量的外磁场垂直于膜面的磁舛莳回线在 1.9K下.纳米线阵列的矫顽力为8I.99×L0A/f【1 (1030Oe),而298K下的矫顽力I496xIA/_ll (188Oe)这种矫顽力随温度的变化,屉磁晶各向 异性与形状各向异性随温度变化的综台结果,即 4K(T)f3M+NM,这里K为各向异性常数. 为退磁因子可以认为.从298K到L.9K碰晶 各向异性常数提高了约近一个数量级..另一更有说 服力的理由是:结合上面对于纳米线阵列的M—T性 质的分析,可以看出随着温度升高,纳米线中一些 466电子显微J.Chin.Electr.Microsc.Sec第25卷 0 薹. ,, 厂— }/v 3 一一. ' 图71.9K下外磁场垂直膜面的磁滞回线. Fig.7Magnetichysteresisloopat1.9Kfortheas-dep0s- itedsampleswhileexternalfieldisperpendicularto thenanowirearrayfilm. 1.0 0.5 . . 0.5 - 1.0 . 10 . 图8298K下外磁场垂直膜面的磁滞回线. Fig?8Magnetichysteresisloopat298Kfortheas-depos. itedsampleswhileexternalfieldisperpendicularto thenanowlresarrayfilm. 纳米颗粒由铁磁相向超顺磁相转变,使得纳米线阵 列的磁滞回线表现出一种"缩小".这种相转变与 Alberecht等人在薄膜上得到的结果相一致.这也 使我们从另一方面理解了纳米线阵列居里温度的降 低. 3结论 利用电化学方法,在多孔阳极氧化铝中沉积了 CoPh纳米线阵列.电镜观察表明,纳米线相互平行 并垂直于模板膜面排列,规则均匀地分布于近六角 排列的纳米孔洞中.实验同时表明,模板孔洞的规 则性可通过二次氧化或压模法提高.对CoPt纳米 线阵列磁学特性的初步研究表明,本制备程序获得 的纳米线由于其无序的fcc晶体结构,没有发现明 显的垂直磁各向异性,且矫顽力很小.测量纳米线 阵列M.T曲线发现,其居里温度较块体材料变小. 低温下磁滞回线与室温下的相比变化很大,说明存 在相转变.截至目前的研究结果,CoPt纳米线阵列 应用在磁,磁光记录中.样品制备环节的研究工作 有待进一步深入.探索制备条件,获得具有高磁晶 各向异性的四方结构CoPt化合物,将是下一步研究 的重点. 参考文献: l1JAlbrechtM,MaretM,MaierA,TreubelF,RiedlingerB, MazurU,SchatzG,AndersS.Perpendicularmagnetic anisotropyinCoPt3(111)filmsgrownonalowenergysur- faceatloomtemperaturelJJ.ApplPhys,2002.91:8153. 12JMaranvilleBB,ShapiroAL,HellmanF,SchaadtDM. 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ThesamD1eswere measul~dandcharacterizedbytransmissionelectronmicroscope(TEM),selectedareaelectrondittmction(SAED),X—raydiffraction(XRD), vibratingsamplemagnetometer(VSM)andsuperconductingquantuminterferencedevicemagnetometer(SQUID),respective1v.TEMresults showedthatthenanowireswereregularanduniform,about1.5paninlengthand35nlnindiameter.StructuraldeterminationbyXRDindicat— edthatL12CoPt3phaseappearedwithdisorderfccstructureineachnanowire.MagneticmeasurementbyVSMandSQUIDshowedthattllear— raysofnanowiresexhibitedweakmagneticanisotropywhichdependedonthedegreeofcrystalliteorder/disorderineachnanowire .Magnetic hysteresloopmeasuredattemperaturesfrom1?9Kto4OOKdemonstratedthatthenanowirearraysexistedsuper- paramagneticphasewhich reducedtheCurietemperatureofnanowire. Keywords:CoPt3nanowire;AAOtemplate;ACdeposition;perpendicularanisotropy