Ni薄膜等材料制备过程中外加磁场效应的研究

论文摘要

像温度和压力一样,磁场有可能发展成为调控材料结构和性能的重要参数。本论文致力于在磁场下制备磁性Ni薄膜等材料,研究磁场如何影响生长习性、磁畴结构和磁性能,得到了一些结果,详细内容归纳如下:1.探索在低温溶剂热条件下沉积薄膜的工艺技术。成功发展了一步化学法在硅基底上沉积金属铜薄膜工艺,制备的铜膜厚度约为2.2μm,是由大小为45～60 nm的铜纳米粒子组成的多晶膜,铜膜具有海绵状多孔的特殊结构。我们制备的铜膜具有较高的电阻率和较低的杨氏模量,分别为300μΩcm和0.46 GPa,研究发现这与其特殊的海绵状结构有关。该工作为进一步制备镍薄膜奠定了实验基础。2.基于沉积铜膜的工作基础,我们设计了一个低温水热反应来沉积磁性镍膜,并在反应体系中引入了磁场强度为0.30 T的外加磁场,研究磁场对磁性薄膜结构及性能的影响。制备的镍膜具有银色金属光泽,肉眼观看平整致密,且与硅基底结合紧密。其它条件完全相同的情况下,施加外磁场能使薄膜的厚度显著增加:磁场下合成的薄膜厚度约为1.35μm,而没有磁场条件下制备的镍膜厚度仅约为0.80μm。磁力显微镜分析发现外加磁场可以诱导膜内磁畴趋于有序,呈线性排列,不同于无磁条件下杂乱无章的磁畴结构。磁畴结构的显著不同导致了磁性能的变化:外加磁场条件下合成镍膜的饱和磁化强度和矫顽力分别为495 emu/cm3,65 Oe,比无磁场条件下合成的样品的数值要高（分别为338 emu/cm3,48 Oe）。这些结果说明外加磁场也可以引入磁性薄膜的合成中,并对磁性薄膜的磁畴结构和磁性能产生影响。在反应过程中施加磁场的合成方法也可以推广用于其它铁磁性薄膜的制备,如钴薄膜等。3.在简单水热体系中,合成了大小约为20μm的磁性镍的树叶状枝晶结构。研究发现枝晶具有独特的取向,主干首先沿[111]方向生长,然后一侧分枝沿[-111]方向生长,而另一侧分枝则沿[100]方向生长。因为枝晶的主干生长方向[111]是立方镍晶体的易磁化轴方向,这可能导致了样品矫顽力和剩磁比较低,分别为77 Oe和0.10。不过,枝晶结构所具有的高结晶性提高了样品的饱和磁化强度（48emu/g）。对于在水热这样一个平衡体系中镍枝晶是如何形成的,我们提出了一个新的模型——磁诱导扩散受限生长的机制来解释。在溶液中,部分镍离子首先被还原生成镍核,这些铁磁性镍核产生的磁场可以诱导溶液中剩余的顺磁性镍离子聚集在镍核周围,镍核附近的镍离子浓度较高,导致电极电势增大而使得镍核附近更容易发生还原反应。由于前驱物溶液中的镍离子浓度很低,因此镍不能源源不断的供给,而是受限的。因为镍供给的受限,导致镍核首先沿着一个方向生长,形成主干,镍核表面后被还原的镍沿着主干由底部往上输运,提供给主干的生长,侧枝随之也开始生长,最后形成了树叶状枝晶结构。有报道称其它磁性材料也能在平衡体系中形成枝晶结构,用我们的模型也能给予很好的解释。4.为了使外加磁场对反应过程产生影响,我们设计了一个低温并且缓慢进行的水热体系,在不同磁场强度下（0 T,0.15 T,0.30 T）合成金属镍。发现在磁场强度较弱的情况下,得到的产物不全是纳米海参分级结构,还有部分纳米海胆结构,而当磁场强度足够大时（如0.30 T）,则可以诱导次级结构成纳米海参分级结构。在这里我们提出了一个可能的纳米海参分级结构的磁场诱导组装机理:首先溶液中的镍离子被还原形成一个个的镍核,其次,在磁场作用下,被还原的镍核沿外加磁场的磁力线方向排列,并在CTAB的控制下,镍核逐渐一维生长成短棒,这些短棒互相交错最终形成了分级结构。对在不同磁场强度下（0 T,0.15T,0.30 T）得到的产物进行磁性能的测量,发现随着磁场强度的增加,所得产物的饱和磁化强度增大,分别为:16.06 emu/g,42.58 emu/g,46.25 emu/g,这可能因为磁场作用导致产物的结晶性变好。然而,随着磁场强度的增加,样品的矫顽力却随之降低,分别为:298 Oe,216 Oe,194 Oe,但都高于对应的体材料的矫顽力大小（100 Oe）,磁场诱导较为有序和稳定的分级结构的形成可能是导致矫顽力降低的原因。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 磁化学
• 1.1.1 磁化学的基本概念
• 1.1.2 磁化学的基本原理
• 1.1.3 磁化学的研究概况
• 1.2 磁场影响下的各类化学反应
• 1.2.1 光化学反应
• 1.2.2 聚合反应
• 1.2.3 电化学反应
• 1.2.4 同位素富集反应
• 1.3 磁场在磁性纳米材料合成中的新应用
• 1.3.1 磁场对产物形貌的影响
• 1.3.2 磁场对产物进行选择性合成
• 1.3.3 磁场对金属材料热加工的影响
• 1.3.4 磁场对产物的微结构影响
• 1.3.5 磁场下磁性纳米颗粒的组装
• 1.4 本论文的选题背景和研究内容
• 1.4.1 论文的选题背景
• 1.4.2 研究内容
• 参考文献
• 第二章 Ni膜的磁场下化学沉积与磁性能研究
• 2.1 本章的选题意义
• 2.2 硅衬底上低温溶剂热沉积铜膜的工艺研究
• 2.2.1 引言
• 2.2.2 实验部分
• 2.2.2.1 试剂和材料
• 2.2.2.2 样品制备
• 2.2.2.3 样品表征
• 2.2.3 结果与讨论
• 2.2.3.1 XRD花样分析
• 2.2.3.2 X射线电子能谱和红外谱图分析
• 2.2.3.3 样品的形貌分析
• 2.2.3.4 海绵状多孔铜膜生长机理的初步讨论
• 2.2.3.5 海绵状铜膜的力学和电学性质测量
• 2.2.4 小结
• 2.3 磁场下磁性镍膜的制备及其磁性能的研究
• 2.3.1 引言
• 2.3.2 实验部分
• 2.3.2.1 试剂和材料
• 2.3.2.2 样品制备
• 2.3.2.3 样品表征
• 2.3.3 结果与讨论
• 2.3.3.1 样品的成分分析
• 2.3.3.2 样品的宏观和微观形貌分析
• 2.3.3.3 样品的磁畴结构分析
• 2.3.3.4 样品的磁性能分析
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 具有独特生长方向磁性镍枝晶的制备及机理研究
• 3.1 引言
• 3.1.1 分形概念的提出
• 3.1.2 分形生长基本介绍
• 3.1.3 分形理论的应用
• 3.2 本章的选题意义
• 3.3 实验部分
• 3.3.1 试剂和材料
• 3.3.2 样品制备
• 3.3.3 样品表征
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 磁性镍枝晶的物相和表面成分分析
• 3.4.2 磁性镍枝晶的形貌分析
• 3.4.3 磁性镍枝晶的HRTEM分析
• 3.4.4 各种反应条件对产物形貌的影响
• 3.4.5 树叶状磁性镍枝晶结构的形成机理分析
• 3.4.6 磁性镍枝晶的磁性能分析
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 CTAB影响的磁场诱导镍分级结构的形成
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 试剂和材料
• 4.2.2 样品制备
• 4.2.3 样品表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 产物的结构表征
• 4.3.2 产物的形貌分析
• 4.3.3 产物的HRTEM分析
• 4.3.4 各种反应条件对产物形貌的影响
• 4.3.4.1 反应温度的影响
• 4.3.4.2 表面活性剂的影响
• 4.3.4.3 反应时间的影响
• 4.3.5 磁场诱导镍纳米海参分级结构形成的机理分析
• 4.3.6 产物的磁性能分析
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 附录: 攻读博士期间完成的工作
• 致谢