不同结构镍纳米线阵列的制备及其磁性

不同结构镍纳米线阵列的制备及其磁性 助能财许2007年增刊(38)卷 不同结构镍纳米线阵列的制备及其磁性幸 于美,刘建华,李松梅 (北京航空航天大学材料科学与工程学院,北京100083) 摘要:采用直流电沉积在多孔有序氧化铝 模板 个人简介word模板免费下载关于员工迟到处罚通告模板康奈尔office模板下载康奈尔 笔记本 模板 下载软件方案模板免费下载 中制 备了不同结构的有序镍纳米线阵列.采用SEM和TEM 对所制备的镍纳米线的形貌和结构进行了表征.研究了 镍纳米线不同结构对镍纳米线阵列磁性性能的影响规 律.当电沉积电压为2.5V时制备的镍纳米线为多晶结 构;电沉积电压4V时,镍纳米线为沿【22O】择优取向的 单晶结构;电沉积电压>5V时,择优取向由[220]转为 [111]方向.磁滞回线结果表明,单晶镍纳米线阵列与多 晶纳米线阵列相比具有更高的矩形度,沿[111]择优取向 的单晶纳米线相比沿[220]取向的单晶镍纳米线具有更 大的矩形度,表现出显着的磁各向异性. 关键词:磁性;镍纳米线;直流电沉积;氧化铝模板 中图分类号:TB383;0646文献标识码:A 文章编号:1001—9731(2007)增刊一1060-04 1引言 磁性纳米线由于其形状各向异性和纳米效应的影 响,表现出优良的磁学性能,在磁存储方面显示出巨大 的应用前景,其研究得到了广泛的关注【ll.纳米线结构 特征与磁学性质关系的研究,可以使人们根据所需磁学 性质要求的不同来剪裁或控制纳米材料的结构,以获得 性能良好的纳米器件[2I. 镍作为铁磁性金属,其纳米线的制备及其性能的研 究引起了各国科学家的广泛关注,不同直径,长度和结 构镍纳米线的磁性性能得到了广泛的研究【2】.孔景临 等人【3l6l7】采用交流电沉积法在阳极氧化铝模板中制备 了多晶镍纳米线并对其磁学性能和电化学性能进行了 研究.Pan等人【8】用直流电沉积氧化铝模板法制备了直 径约为50rim的镍纳米线,并对电沉积过程中的电压以 及温度对晶体结构的影响做了研究,同时还研究了结构 对其磁性性能的影响.结果发现在低温下高的电沉积电 压可以制备出单晶镍纳米线,纳米线沿[220]择优生长, 单晶镍纳米线具有更高的矫顽力,更大的磁化面积和更 为显着的各向异性.文献[9】中利用氧化铝模板法制备了 铁纳米线,通过调整电沉积过程中的pH值,制备了择 优取向分别为[110】,[200]的铁纳米线,并对其磁性能 进行了测试,结果发现沿[200]择优取向的铁纳米线比沿 【110]择优取向的铁纳米线具有更大的矩形度和矫顽力. 可见,纳米线的结构会对纳米线的磁性性能产生重大的 影响.单晶镍存在易磁化轴和难磁化轴,择优取向的不 同必然导致产生磁晶各向异性,从而导致其磁性性能的 变化.但是据我们所知,因为择优取向不同而引起的镍 纳米线磁性能的变化并未见报道.所以镍纳米线择优取 向不同导致的磁性性能变化的研究具有重要的理论和 现实意义. 本文利用直流电沉积氧化铝模板法制备了多晶以 及择优取向不同的单晶镍纳米线阵列,对其结构进行了 表征,并对不同结构镍纳米线阵列在垂直和平行于氧化 铝模板两个方向进行了磁滞回线测量,对不同结构对纳 米线阵列磁性性能的影响进行了研究. 2实验 氧化铝模板以及镍纳米线阵列的制备分别采用二 次阳极氧化法【l?和直流电沉积模板法,其详细制备过程 见本课题组以前的研究[1,】.本实验所用氧化铝模板的 制备工艺条件为室温下氧化电压40V,电解质为 0.3moUL草酸.第二次阳极化工艺完成以后,进行降压. 降压速度为1N1.5V/s,直至降为lV,冲洗,进行电沉 积制备镍纳米线.以所制备的氧化铝模板为阴极,纯镍 板为阳极,室温下进行电沉积.电沉积溶液为硫酸镍 200g/L,氯化镍50g/L,硼酸45g/L,pH介于4.4,5.2 之间.在室温下采用电沉积电压分别为2.5,4,5,7V 进行镍纳米线电沉积制备. 分别用扫描电子显微镜(xL30S—FEG,s?ON)和 透射电子显微镜(JEM2100F.JEOL)对镍纳米线的形 貌,结构等进行了表征.在进行SEM观察以前,将 6moULNaOH滴加在包含镍纳米线的模板上溶解 10min,溶解完后用去离子水冲洗,干燥.进行TEM表 征以前把氧化铝模板和未氧化的铝用NaOH溶解,溶解 之后用去离子水冲洗,用微栅铜网捞取一部分纳米线进 行观察. 镍纳米线磁性性能的测试采用振动样品磁强计 (LDJ-9500,VSM)进行.电沉积制备镍纳米线完成 以后,直接从包含镍纳米线的氧化铝模板上取样,在室 温下分别测量镍纳米线,氧化铝模板样品的垂直于氧化 铝模板表面(即平行于镍纳米线)和平行于氧化铝模板 表面(垂直于镍纳米线)的磁滞回线. ?收到稿件日期:2007.08.Ol通讯作者:刘建华 作者简介:于美(1981一),女,山东潍坊人,讲师,北京航空航天大学,主攻纳米材料制 备以及材料表面防护技术. 于美等:不同结构镍纳米线阵列的制备及其磁性 3结果与讨论 3.1镍纳米线的表征 电沉积电压为7V时所制备镍纳米线的侧面扫描电 镜照片如图1所示.从图中可以看出镍纳米线平行排 列,具有很好的取向性.镍纳米线的直径约为50nm, 在整个长度范围内均匀一致,与用来进行电沉积制备镍 纳米线的氧化铝模板的孔径相似.左上角的分层是因为 模板制备过程中的降压引起的,其详细讨论过程见文献 [12】.不同电沉积电压制备的镍纳米线的SEM照片具 有共同的特征. 图I镍纳米线的扫描电镜照片 Fig1SEMimageofnickelnanowircs 图2为电沉积电压为4V时所制备镍纳米线的透射 电镜照片,插图为相应纳米线的选区衍射图.从图中可 以看出,镍纳米线在整个长度范围内具有均匀的直径, 表面较为光滑,与扫描电镜照片相比具有很好的重现 性.对选区衍射图分析可知镍纳米线具有单晶结构,对 衍射指数进行标定可以发现镍纳米线沿[220]方向生长. 图2镍纳米线的透射电镜照片(4V) Fig2TEMimageofnickelnanowircs(4V) 图3为电沉积电压为5V时所制备镍纳米的透射电 镜照片,插图为该纳米线的选区衍射图.从图中可以看 出,镍纳米线在整个长度范围内具有均匀的直径,表面 较为光滑,与以前所观察的镍纳米线形貌相比较具有很 好的重现性.对选区衍射图分析可知镍纳米线为单晶结 构,对衍射指数进行标定可以发现镍纳米线沿[111】生长 (沉积电压为7V时所制备镍纳米线结果与此相似). 分别采用不同的电沉积参数制备不同结构的纳米线,具 体制备参数及表征结果如表1所示. 图3镍纳米线的透射电镜照片(5V) Fig3TEMimageofnickelnanowircs(5V) 表1不同电沉积条件制备的镍纳米线试样的表征结果 Table1Characterizationresultsofnickelnanowircsfabricated atdifferentconditions SampleNo.1234 Voltage(V)2.5457 Time(min)2820105 TexturePolySingleSingleSingle PrefefredOrientation?[220】[111】【111】 Length(~tm)3842.8 Diameterfnm)50505050 3.2镍纳米线阵列的磁性性能 对所制备的4种包含在氧化铝模板中的镍纳米线 阵列试样进行垂直于氧化铝模板方向(平行于镍纳米线 生长方向)和平行于氧化铝模板方向(垂直于镍纳米线 生长方向)磁性性能测试,其磁滞回线如图4所示. 图4(a)为多晶镍纳米线阵列试样1常温下的磁滞回 线.实线和虚线分别为垂直于氧化铝模板方向和平行于 氧化铝模板方向的磁滞回线.可以看出磁场垂直于氧化 铝模板方向时,样品容易被磁化,与平行于氧化铝模板 方向相比具有较高的矩形度()和矫顽力(He). 对图4(b),(c),(d)进行分析,也能得到相同的结论: 当磁场垂直于氧化铝模板方向时,样品很容易被磁化到 饱和,并能得到较高的矫顽力和矩形度.在平行于氧化 铝模板方向时,样品则都较难磁化到饱和,矫顽力和矩 形度较小.4个样品表现出相同的特征,易磁化轴沿纳 米线的生长方向. 国内外许多科学工作者对纳米线阵列的磁性性能进 行了深入的研究,发现了许多有益的结论.随着纳米线直 径的减小,磁滞回线的矩形度和矫顽力将增加:当纳米线 直径一定时,平行和垂直于纳米线方向的矫顽力随着长径 比的增加而增加,当超过某一极限时达到饱和.13】.纳米 线阵列的组成以及长径比等会极大的影响材料的磁性 性能. 助财斟2007年增刊(38)卷 t~pliadfleldlx79.6A?m.' g i . C = 图4镍纳米线阵列试样的磁滞回线 Fig4MagnetizationClllTCSofNinanowiresembeddedintheAAOtemplate 本文中所用的氧化铝模板制备工艺相同,所制备镍比多晶样品1垂直于模板方向具有更大的磁滞回线矫 纳米线的直径与氧化铝模板的孔径相似,所以直径不会顽力和矩形度,这与文献【8】研究结果相同. 对纳米线阵列的磁性性能的变化产生影响.磁滞回线测对表2进行进一步的分析可以发现,试样2在长径 量都是在室温下进行,测量时所采用的温度相同,所以比大于试样3,4的情况下,矩形度和矫顽力却要比试 对纳米线阵列/氧化铝模板体系磁性性能不会产生影样3和试样4的小.对其原因进行分析可知,单晶体磁 响.因此,本实验中主要是纳米线的长径比不同而导致性材料存在易磁化晶体学方向(容易磁化方向或易磁化 的形状各向异性和晶体结构变化而产生的磁晶各向异轴,简称容易轴)和难磁化晶 体学方向(难磁化方向或 性对纳米线阵列,氧化铝模板体系的磁性性能产生影难磁化轴,简称困难轴).对于 具有面心立方(FCC) 响.结构的单晶镍?来说(如图5所示),其[111]为易磁化 表2为图4中4种试样磁滞回线的数据分析结果. 表2镍纳米线的矫顽力和矩形度 SampleAspect凰:(×79.6A?m)月(×79.6A?m)Mr(MS)Mr(Ms) No.ratio(上)(//)(上)(?) 160351.6887.12o.5O8o.085 216069O.3O198.970.880O.O97 38O725.96220.470.887O.12O 456651.6o164-320.899O.O84 对表2中的数据进行分析可知,试样1与具有相近 长径比的试样4相比,垂直于氧化铝模板方向的磁滞回 线的矫顽力和矩形度都要低.分析原因是在其它条件一 致时,磁性纳米线阵列的有效各向异性是形状各向异性 和磁晶各向异性共同作用,互相竞争的结果【9】.不同条 件制备的4种样品都具有磁各向异性,样品的易磁化方 向均是沿着镍纳米线生长方向,这表明形状各向异性占 主导地位.当镍纳米线的形状相同时,即本实验中的长 径比相近时,镍纳米线的有效各向异性主要表现为磁晶 各向异性,晶体结构的不同会产生磁晶各向异性,从而 对测试结果产生重大的影响,导致单晶镍纳米线的性能 优于多晶镍纳米线.所以,在长径比相近时单晶试样4 轴,【100]为难磁化轴,因此沿[111]择优取向的镍纳米 线与沿[1101择优取向的镍纳米线相比更容易被磁化,磁 滞回线具有更高的矩形度.所以电沉积电压大于等于 5V时制备的沿[111]择优取向的试样3,4与电沉积电压 为4V时制备的沿[220]择优取向的试样2相比更容易被 磁化, 图5镍的晶体结构及易磁化轴和难磁化轴 Fig5Easyaxisandhardaxisofnickel 综上所述,在镍纳米线长径比,组成等条件相同的 情况下,即镍纳米线形状各向异性相同的情况下,镍纳 米线的有效各向异性主要表现为磁晶各向异性.单晶镍 纳米线的磁性性能由于择优取向的不同也会产生磁晶 各向异性,从而对镍纳米线的有效各向异性产生较大的 于美等:不同结构镍纳米线阵列的制备及其磁性1063 影响.沿【ll1]择优取向的镍纳米线,氧化铝模板阵列与 沿[220]择优取向的镍纳米线,氧化铝模板在其它条件相 同的情况下,因为磁晶各向异性的原因具有更大的矩形 度和矫顽力. 而对于磁存储材料来说,高矩形度是最重要的3个 参数要求之一【1引.本实验中当电沉积电压为2.5V时所 制备的镍纳米线为多晶结构,当电沉积电压为4V时所 制备的纳米线为沿难磁化轴[220]择优取向的镍纳米线, 当电沉积电压>5V时,所制备的纳米线为沿易磁化轴 【111]择优取向的镍纳米线.随着实验过程中电沉积电压 的增加,所制备的镍纳米线的晶体结构发生了变化,从 而因为磁晶各向异性导致矫顽力和矩形度不断升高.因 此,本实验中通过控制电沉积过程中电压的变化来控制 电沉积镍的晶体结构及择优取向的变化,从而获得具有 更为优良磁性能的镍纳米线,具有重要的理论和现实意 义. 4结论 采用直流电沉积成功在多孔有序氧化铝模板中制 备了不同结构的有序镍纳米线阵列.镍纳米线的直径均 匀,约为50rim.当电沉积电压为2.5V时制备的镍纳米 线为多晶结构;随着电沉积电压的升高,镍纳米线变为 沿[220]择优取向的单晶结构(电沉积电压4v):当电沉 积电压进一步升高时,择优取向由【220]转为【111]方向 (电沉积电压>5v).磁滞回线研究表明,单晶镍纳米 线阵列与多晶纳米线阵列相比具有更高的矩形度和矫 顽力,沿i111]择优取向的单晶纳米线相比沿[220]取向 的单晶镍纳米线具有更大的矩形度,表现出显着的磁各 向异性. 参考文献: 【1】RivasJ,BantuAKM,ZaragozaG.[J】.JMagnMagn Mater,2002,249:220-227. 【2】LiChengGS,ZhangLD.【J】.JMaterRes,2000,15: 2305.2308. 【3】潘谷平,薛宏,孙冬梅,等.[J】.化学物理,1999, 12(6):675-680. 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Fabricationandmagneticpropertiesofnickelnanowireswith differentstructure YUMei,UUJian—hua,LISong—mei (SchoolofMaterialsandEngineering,BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Beijing100083,China) Abstract:Nickelnanowireswithdifferentstructurewereprepareddirectlybyelectrodepositioninanodicalumina membrane(AM).ThestructureandtopographyofthenanowireswerecharacterizedbySEMandTEM.Effectof nanowiresstructuretothemagneticpropertiesofthenickelnanowireswasstudied.Itwasshownthatthenickelnanowires werepoly— crystallinewhenthedepositionvoltageswere2.5V.Thenickelnanowireschangedtosinglecrystalwitha preferredorientationalong 【220]whenthedepositionvoltageswere4V.Thepreferredorientationtransformedfrom【220] to【111]withdepositionvoltageswerelargerthan5V.Thesingle— crystallineNinanowiresexhibitedexcellentmagnetic properties(1argesquarenessandlargecoercivity)tocomparewithpoly— crystallineNinanowires.Single—crystallineNi nanowireswithapreferredorientationalong【111]hadalargersquarenessthanthatwith 【220]orientation. Keywords:magneticproperties)nickelnanowires;directcurrentelectrodeposition;AAM