磁場下鎳離子的化學(xué)還原反應(yīng)與產(chǎn)物的磁疇結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、在化學(xué)反應(yīng)中通過引入磁場，可改變產(chǎn)物的形貌和性質(zhì)；磁性主要來源于電子自旋磁矩，對磁疇進(jìn)行分析有助于從微觀角度了解磁性材料的磁性能。因此本論文致力于探討磁場下鎳離子化學(xué)還原反應(yīng)的特征，并研究磁場對產(chǎn)物磁疇結(jié)構(gòu)及磁性能的影響。詳細(xì)內(nèi)容可歸納如下： 1.為了研究磁場對化學(xué)反應(yīng)的影響，施加磁場的反應(yīng)體系應(yīng)該盡量滿足以下條件：以順磁性離子Ni2+和Cu2+作為研究對象；考慮到鎳的居里溫度為358℃，所以反應(yīng)溫度不應(yīng)太高，而且溫度過高時，體

2、系熱運(yùn)動占主導(dǎo)，這時候磁場的影響就較為微弱；反應(yīng)應(yīng)該盡可能的緩慢進(jìn)行，離子緩慢成核與生長才有可能觀察到磁場對粒子的誘導(dǎo)作用，如果反應(yīng)進(jìn)行的很快，那么磁場還沒有起到作用時就立即成核并生長了。因此，低溫混合熱溶劑法是一個較理想的反應(yīng)體系，而且方便施加外磁場。于是，我們在一個較溫和的低溫混合熱溶劑體系下，選擇被PVP絡(luò)合的鎳離子作為研究對象，研究了各種反應(yīng)條件對其形貌的影響，探索了適合觀察磁場效應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)體系。以蒸餾水-乙醇為溶劑，氯化鎳為

3、鎳源，PVP為表面活性劑，用水合肼還原得到了單質(zhì)鎳。研究發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)混合溶劑中蒸餾水/乙醇的體積比(w)、表面活性劑PVP的用量、反應(yīng)溫度及鎳離子濃度可以有效控制產(chǎn)物的形貌和尺寸，從而獲得均勻多晶鎳納米球。該體系中制得的鎳納米球具有良好的鐵磁性質(zhì)，樣品的飽和磁化強(qiáng)度(Ms)和矯頑力(Hc)分別為53 emu/g和82 Oe。然而，研究發(fā)現(xiàn)磁場對銅離子的還原反應(yīng)影響不明顯。這可能是由于產(chǎn)物銅不是鐵磁性物質(zhì)造成的。 2.基于制備鎳

4、納米球的工作基礎(chǔ)，我們選擇在一個合適的化學(xué)反應(yīng)體系中施加外磁場，最終獲得了一維鎳納米線。然后以其中涉及的化學(xué)反應(yīng)為例，探討了磁場下鎳離子的化學(xué)還原特征，及鎳納米線的成核與生長機(jī)理。我們認(rèn)為一維鎳納米線的形成，是反應(yīng)速率與磁場作用相互協(xié)作的結(jié)果。當(dāng)反應(yīng)物Ni2+濃度較低時，反應(yīng)速率相對較慢，[Ni(N2H4)x]2+優(yōu)先選擇遷移到磁力線附近并且沿著磁力線方向排列，導(dǎo)致電極電勢增大，于是[Ni(N2H4)x]2+的化學(xué)還原反應(yīng)也是沿著磁力線

5、發(fā)生，結(jié)果導(dǎo)致了鎳納米線的形成。而當(dāng)Ni2+濃度較高時，反應(yīng)速率相對較快，[Ni(N2H4)x]2+可能在還沒來得及遷移到磁力線之前，還原反應(yīng)就已經(jīng)很快的在整個體系中發(fā)生了，導(dǎo)致出現(xiàn)了產(chǎn)物中納米球和一維鎳線共存的現(xiàn)象。我們對無磁場下制得的樣品，在相同的磁場強(qiáng)度下也進(jìn)行了磁場后處理，然而卻沒發(fā)現(xiàn)有鎳納米線生成?？梢?，在反應(yīng)中施加的外磁場可以影響粒子的成核與生長，而不是誘導(dǎo)粒子的簡單組裝。磁測量結(jié)果表明，與無磁場下的產(chǎn)物相比，在磁場下生成的

6、樣品具備較好的磁學(xué)性質(zhì)，另外，我們對在無磁場及有磁場下得到的產(chǎn)物分別做了它們的微波吸收性質(zhì)的測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，一維鎳線在8.5-12.5 GHz下的微波吸收性質(zhì)優(yōu)于鎳納米球的，該結(jié)果進(jìn)一步證明了鎳線不是納米粒子的簡單組裝，其磁疇結(jié)構(gòu)可能已被外加磁場改變。 3.利用磁力顯微鏡(MFM)分別研究了在無磁場及有磁場下的產(chǎn)物鎳的磁疇結(jié)構(gòu)特征，并探討外加磁場對產(chǎn)物磁疇結(jié)構(gòu)及其磁性能的影響。MFM觀測結(jié)果表明，直徑250 nm的鎳納米線擁

7、有單磁疇結(jié)構(gòu)；而直徑2μm的鎳線的磁力圖呈現(xiàn)的是新穎的核-殼圓柱形磁疇。我們認(rèn)為這種新穎的多疇結(jié)構(gòu)可能是由于在化學(xué)反應(yīng)中所施加的外磁場造成的。于是，我們利用示意模型來解釋這兩種不同的磁疇構(gòu)型。為了驗(yàn)證我們所提出的磁疇模型，在相同的反應(yīng)體系下，在無外加磁場時制得了鎳膜ZF，在0.25 T磁場下得到了鎳膜AF樣品。ZF樣品的磁力圖中含有的是暗色斑點(diǎn)疇，對應(yīng)著該樣品形貌圖中的納米顆粒；AF樣品的磁力圖中發(fā)現(xiàn)大量的暗色圓形疇和一些典型的同心圓環(huán)