SiO2包覆对L10相FePt纳米颗粒结构和磁性的影响

SiO2包覆对L10相FePt纳米颗粒结构和磁性的影响

姜雨虹，刘洋，郎集会

(吉林师范大学 物理学院，吉林 四平 136000)

摘要:我们利用溶胶-凝胶法成功地合成了SiO2包覆的FePt纳米颗粒，并且研究了不同含量的SiO2对FePt颗粒结构和磁性的影响.由于SiO2的包覆，粒子之间的团聚现象可以被有效抑制.磁性测试结果表明，SiO2的含量直接影响着FePt纳米颗粒的磁性.有序度的降低以及SiO2的包覆抑制了晶粒的生长，这可能也是矫顽力降低的主要原因.对于包覆了的5μL SiO2的FePt样品，虽然晶粒尺寸仅为8 nm左右，但是矫顽力仍可达到7990 Oe.

关键词:SiO2包覆；FePt纳米颗粒；矫顽力；溶胶-凝胶制备

DOI:10.13877/j.cnki.cn22-1284.2015.10.013

收稿日期：2015-07-29

基金项目：国家自然科学

作者简介：姜雨虹，女，吉林德惠人，实验教师，硕士．

通讯作者：郎集会，女，吉林吉林人，副教授，博士，硕士生导师．

中图分类号：O482.54文献标志码：A

磁性材料早在中国古代就被发现并应用于军事和航海事业，迄今为止仍然作为信息工业的主体在信息化、自动化、机电一体化、国防等方方面面发挥着巨大的作用.目前，磁性材料仍处于蓬勃发展时期，随着时代的发展，信息化技术发展的趋势总体是向着小、轻、薄以及多功能的方向发展.20世纪纳米科技的问世，给古老的磁性产业注入了新的活力.当代，信息、生物、化学等领域的研究者将研究方向转向磁性纳米材料方面.使磁性纳米材料的研究成为了一个新潮流.其中，磁性纳米颗粒在肿瘤治疗、磁存储介质、靶向给药、免疫检测、蛋白质和核算分离等领域有广泛的应用前景[1-5].

FePt纳米合金以其潜在的超高密度的磁性存储介质而受到人们的亲睐.原子比在1:1附近的有序的L10相FePt合金为面心四方结构(即FCT结构，晶格常数a=b=3.905Å,c=3.735Å)，有非常高的磁晶各向异性能、高矫顽力和高磁能、较高的居里温度及很低的超顺磁性临界尺寸，而且具有良好的化学稳定性，能满足高密度磁记录材料的要求，常温下长时间在空气中不会被氧化，被认为是最有希望成为超高密度磁盘存储技术的材料[6-8].然而，化学法直接制备出的FePt颗粒多为Fe、Pt原子随机占据晶格格点的无序相，其具有面心立方结构(即FCC结构，晶格常数为a=b=c=3.841Å)，此时，样品表现为软磁性质.若要实现FePt颗粒从FCC相到FCT相的转化需要高温退火[9,10].但是高温退火会引起粒子之间的团聚以及晶粒之间的交换耦合作用[11].最近研究发现，将FePt纳米颗粒嵌入到适当的非磁性矩阵中(例如SiO2，A12O3，TiO2)[12-14]，能有效避免上述问题.其中SiO2由于具有高熔点(>1700°C)且不与Fe或Pt反应，被认为是首选材料[15].本文中我们采用操作简单的溶胶-凝胶法合成SiO2包覆的FePt纳米粒子，并研究了不同SiO2含量对FePt颗粒结构和磁学性质的影响.

1实验

实验所需试剂包括：硝酸铁(Fe(NO3)3·9 H2O)，氯铂酸(H2PtCl6·6H2O)，柠檬酸(C6H8O7·H2O)和正硅酸乙酯(TEOS)，所有试剂纯度均为分析纯.首先，将Fe(NO3)3·9 H2O和H2PtCl6·6 H2O按按摩尔比1:0.8称量，然后将他们充分地溶解在50 mL的去离子水中.放到磁力搅拌器上搅拌半个小时得到混合液，再加入适量H2PtCl6·6 H2O，继续搅拌两个小时.随后，分别将不同含量的TEOS(0μL,5μL和50μL)缓慢地加入到该溶液中继续搅拌以形成FePt湿溶胶.随后将湿溶胶放入到80°C干燥箱中干燥得到干凝胶，继续升温脱水膨化得到样品的前驱体.最后将样品放入管式炉中在氩气保护下进行700°C热处理，即分别制得包覆0μL, 5μL和50μL SiO2的FePt纳米颗粒.

通过X射线衍射仪(XRD)，透射电子显微镜(TEM)，高分辨透射电镜(HRTEM)，X衍射能谱测试(EDS)和振动样品磁强计(VSM)分别对样品的形态、结构和磁性进行了表征.

2结果与讨论

图1　经过700℃退火后包覆不同SiO 2含量

图1为经过700℃退火后包覆不同SiO2含量(0μL, 5μL和50μL)的FePt纳米颗粒的XRD谱图.结果显示，所有的样品都为纯的L10相FePt纳米颗粒.因为SiO2可能已以非晶的形式存在，所以从XRD图中无法检测出.衍射峰随着SiO2含量增加而变宽.用谢乐公式可以计算出不包覆SiO2的FePt颗粒的平均晶粒尺寸为14.1 nm，添加5μL SiO2后晶粒尺寸下降到7.8 nm，这表明添加SiO2可以有效抑制FePt颗粒的晶粒生长.不包覆SiO2和包覆5μL SiO2的FePt颗粒的晶格常数分别为a=3.857Å,c=3.715Å,c/a=0.963；a=3.844Å,c=3.703Å,c/a=0.963.

L10-FePt的有序度S直接影响其磁学性质.有序度的计算由下面的公式(1)得出：

(1)

公式中c/a是部分有序的FePt值，(c/a)Sf是完全有序的FePt值[16].c和a是L10相FePt颗粒的晶格常数.计算结果表明，随着SiO2含量的增加，有序度下降.没有添加SiO2的FePt样品的有序度为0.93，加入50μL 后，有序度下降到0.88.有序度下降可能是因为SiO2是热的不良导体，在退火过程中抑制了FePt颗粒从无序相向有序相的转变.

图2 (a)和(c)分别为没有包覆SiO 2的FePt颗粒和包覆了5μL SiO 2

图2是对没有包覆SiO2和包覆了5μL SiO2的FePt颗粒进行TEM测试的结果.从图2(a)和(c)可知，包覆5μL SiO2后的FePt样品相，团聚现象明显减弱，粒子呈现球形并且分散性良好，这可能是因为非晶的SiO2外壳可以降低FePt颗粒之间的磁耦合相互作用.此外，我们可以明显发现，包覆SiO2后的FePt样品的晶粒尺寸明显减小，这个结果进一步验证了添加SiO2可以抑制FePt颗粒的晶粒生长的结论.图2(b)为纯FePt样品的高分辨透射电镜结果，其晶面间距为0.211 nm，这和有序相FePt的(111)晶面间距相对应.图2(d)可以明显看出FePt颗粒外面包覆了非晶的SiO2外壳.

图3　包覆5μL SiO 2后FePt样品的EDS能谱图

为了确定包覆5μL SiO2后FePt样品中的元素分布，我们对样品进行了EDS测试，图3测试结果表明，除了Fe、Pt、Si和O元素的衍射峰，没有其它杂峰存在(其中Cu和C峰来源于铜网).EDS谱的定量分析表明，样品中Fe与Pt的原子比例为57:43，这和实验前设定的名义比例60:40非常接近.

图4　包覆不同SiO 2含量(0μL, 5μL和50μL)后的FePt纳米颗粒

图4为室温下，最大磁场强度为20 kOe时包覆不同SiO2含量后的FePt纳米颗粒的磁滞回线图.如图所示，纯FePt样品的矫顽力可达到10148 Oe，这说明Fe和Pt原子形成了有序的L10相.此外，我们从磁滞回线图上可以看见明显的“峰腰”，这可能是材料中存在的软磁相所致[17]，但是从XRD和TEM的测试结果上很难看见这极少部分的杂相.磁滞回线图显示，随着SiO2含量的增加，矫顽力降低，表明SiO2添加很大程度上影响了矫顽力的值.下降的矫顽力可能是由于SiO2添加导致了有序度的下降，此外，根据XRD的结果，SiO2抑制了晶粒生长可能是矫顽力下降的另一原因.

3结论

通过溶胶-凝胶法成功地制备了包覆SiO2的高质量的FePt纳米颗粒.SiO2外壳可以有效抑制粒子之间的团聚现象，并且降低了粒子间的磁耦合相互作用.磁性结果表明矫顽力的值和SiO2的含量呈线性关系.随着SiO2含量的增加，矫顽力降低，这可能是有序度的降低以及晶粒尺寸的减小导致的.

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(责任编辑:王海波)