Fe2O3@SiO2橢球粒子的制備、自組裝及其光學(xué)性能研究.pdf

1、磁性氧化鐵納米粒子在半導(dǎo)體技術(shù)、藥物磁分離、生物傳感器等領(lǐng)域有重要研究?jī)r(jià)值。特別是經(jīng)過表面包覆SiO2和功能化改性處理，能夠進(jìn)一步拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。但是目前大粒徑(>100nm)的單分散性氧化鐵粒子的制備仍然存在著諸多困難，主要問題是：(i)熱力學(xué)穩(wěn)定性不足導(dǎo)致γ-Fe2O3粒子的制備產(chǎn)率和單分散性不好，(ii)磁性的納米粒子在修飾過程中已發(fā)生“自聚”，SiO2殼難以均勻地進(jìn)行包覆，(iii)復(fù)合微球的自重增加使得大粒徑納米粒子的組裝非常

2、困難。
　　本文采用水熱合成法制備了不同形貌的單分散性α-Fe2O3納米粒子。對(duì)合成工藝研究發(fā)現(xiàn)，在時(shí)間12h，溫度為120℃的反應(yīng)條件下，制得的α-Fe2O3納米粒子，單分散性分布寬度較窄，長(zhǎng)徑比約為3.2。通過改變反應(yīng)時(shí)間、溫度、反應(yīng)物濃度以及表面修飾劑的用量，能夠調(diào)節(jié)產(chǎn)物α-Fe2O3納米粒子的單分散性和長(zhǎng)徑比。利用紫外-可見吸收光譜對(duì)光學(xué)禁帶寬度研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)徑比大的紡錘型納米粒子具有更小的光學(xué)禁帶(2.05eV)。通過振動(dòng)

3、樣品磁強(qiáng)計(jì)對(duì)磁性分析表明，紡錘型α-Fe2O3納米粒子展現(xiàn)出較強(qiáng)的矯頑力和剩余磁化強(qiáng)度，分別達(dá)到了1645Oe和0.0951emu/g。高分辨透射電子顯微鏡的分析表明，紡錘型α-Fe2O3納米粒子具有更為明顯的軸向方向的生長(zhǎng)取向和更多的晶界，對(duì)于光學(xué)禁帶的降低和矯頑力的提高起到了一定的強(qiáng)化效應(yīng)。
　　通過PVP表面修飾劑對(duì)紡錘型α-Fe2O3進(jìn)行修飾，采用St?ber水解法包覆SiO2殼，研究了PVP、溫度、濃度、催化劑等工藝因素

4、對(duì)產(chǎn)物形貌和結(jié)構(gòu)的影響。在此基礎(chǔ)上，獲得了SiO2殼厚在15~125nm范圍內(nèi)可調(diào)的單分散α-Fe2O3@SiO2橢球納米粒子。透射電鏡分析SiO2包覆效果發(fā)現(xiàn)，該方法能夠獲得包覆完整的核-殼結(jié)構(gòu)。XRD和紅外光譜分析表明，隨著 SiO2殼厚增加，α-Fe2O3@SiO2橢球納米粒子中SiO2的衍射峰和吸收強(qiáng)度都相應(yīng)地增加。結(jié)合TEM分析，證明在不加水的反應(yīng)體系中，以氨水作為催化劑，通過控制硅源的加入濃度和速度能夠有效地控制 SiO2均

5、勻包覆于α-Fe2O3表面而不形成實(shí)心的SiO2微球。對(duì)α-Fe2O3@SiO2橢球納米粒子的光學(xué)性能和磁學(xué)性能的研究表明，隨著SiO2殼厚增加，納米粒子的光學(xué)禁帶寬度逐漸增加而矯頑力逐漸減小。對(duì)熱穩(wěn)定性的研究表明，SiO2殼厚的增加能夠有效地提高α-Fe2O3@SiO2橢球納米粒子的耐溫性。SiO2殼厚為65nm的橢球納米粒子在800℃條件下熱處理1h幾乎不發(fā)生變形，具有突出的高溫形狀穩(wěn)定性。
　　對(duì)α-Fe2O3，F(xiàn)e3O4和

6、γ-Fe2O3納米粒子的相轉(zhuǎn)變過程和轉(zhuǎn)化條件的熱分析研究發(fā)現(xiàn)，在還原氣氛(Ar-H2)中，α-Fe2O3和Fe3O4能夠在292℃條件還原處理進(jìn)而發(fā)生相轉(zhuǎn)變，而氧化氣氛(O2)中，F(xiàn)e3O4和γ-Fe2O3納米粒子能夠在302℃條件氧化處理進(jìn)而發(fā)生相轉(zhuǎn)變。采用XRD、Raman和FTIR光譜對(duì)還原-氧化過程中的結(jié)構(gòu)變化分析表明，在上述溫度條件下能夠進(jìn)行高效的相轉(zhuǎn)變，且具有典型的上述產(chǎn)物的晶體結(jié)構(gòu)。穆斯堡爾譜分析表明，上述反應(yīng)條件下進(jìn)行1

7、h，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化效率為99.99％以上。根據(jù)還原-氧化條件下的相轉(zhuǎn)變機(jī)理，對(duì)經(jīng)過包覆的α-Fe2O3@SiO2核-殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了處理，獲得了橢球型γ-Fe2O3@SiO2納米粒子。利用TEM、XRD和紅外光譜的分析表明，產(chǎn)物具有典型的核-殼結(jié)構(gòu)。通過對(duì)其磁性和光學(xué)性能的分析表明，SiO2殼厚為110nm橢球型γ-Fe2O3@SiO2納米粒子的矯頑力達(dá)到149.9Oe，具有較低的光學(xué)禁帶。
　　對(duì)γ-Fe2O3@SiO2納米粒子的有序組

8、裝過程的分析表明，在控制溫度、濃度、磁場(chǎng)、基板等條件的情況下，采用磁場(chǎng)誘導(dǎo)氣-液界面組裝法可以獲得高度有序的橢球型γ-Fe2O3@SiO2薄膜。反射光譜對(duì)其光子禁帶進(jìn)行分析表明，對(duì)于SiO2殼厚為75nm的橢球模板而言，其光子帶隙位于585nm，光子禁帶相對(duì)寬度為12.6%。通過表面吸附的方法，將熒光金納米粒子能夠很好地吸附到γ-Fe2O3@SiO2橢球模板的SiO2殼的表面。通過 SEM分析表明，金納米粒子均勻包覆于γ-Fe2O3@S