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纳米材料的性能是由其尺寸、形貌及结构决定的。因此,对纳米材料的生长机制研究,进而实现对其尺寸、形貌、组成、晶体结构乃至物性的调控,对于深入研究纳米结构与物性的关联、并最终实现按照人们的意愿设计合成功能材料具有重要的意义。
随着电子显微技术的发展,研究者通过对晶体生长过程的原位观察发现了许多新奇的现象。溶液中传统的晶体生长理论如表面能平衡理论、二维成核生长模型、螺位错生长机制、层错机制、孪晶机制、负离子配位多面体生长基元理论模型等已无法对其作出解释。因此,丰富纳米材料生长机制相关理论对于理解实验现象、优化实验过程、进而实现纳米材料结构和性能的可控制备有重要的指导作用。
本文利用金属前驱体热分解法制备了不同形貌的FePt纳米颗粒。通过对生长过程的控制获得了棒状,线状,球形,立方体,树枝状等形貌的FePt纳米晶体。利用了TEM、HRTEM、XRD、PPMS等表征手段对获得的FePt纳米颗粒(包括团簇)进行了结构、形貌、成分、及磁学性能的表征、分析与测试。对不同条件下FePt纳米颗粒的生长过程和晶体生长机制进行了理论的分析与探讨。论文的主要研究内容和结果如下:
(1)本文通过油胺与羰基铁的络合延迟了纳米颗粒的生长过程,得以清楚地对纳米颗粒形核生长各阶段生长模式进行了详细的分析。研究发现其形核和长大过程由奥斯特瓦尔德熟化过程和晶核/晶粒之间的取向转接过程共同控制。相关生长机制的研究对于理解以纳米粒子构筑单元取向聚集的生长途径具有重要意义
(2)通过对FePt纳米颗粒的晶核以及不同温度下形成的纳米颗粒形貌、结构详细的表征,分析了棒状、立方和球形纳米颗粒形成的原因。经过分析得出孪晶晶核在晶界处提供了更低的化学势,使得溶液中自由金属原子更易于在此沉积,造成了低温下的纳米颗粒沿着孪晶面生长,而在高温下孪晶面的生长优势得不到体现。完美单晶晶核的生长过程主要由不同晶面吸附的表面活性剂的量来调节各个晶面的表面能进而调控该晶面的生长速率,可以得到立方形纳米颗粒。立方形纳米颗粒经过高温下恒温一段时间后,逐渐转变为稳定的球形。
(3)通过利用不同百分含量的氢气和氩气的混合气体作为保护气氛制备了不同形貌的FePt纳米晶体,探讨了还原性气体对纳米颗粒的生长过程的影响。在高纯氩气中得到树枝状的颗粒聚集体,并且表面包覆有大量的氧化铁,随着氢气量的逐渐增多,氧化铁消失,晶体形状经由树枝状转变为蠕虫状,最终在纯的氢气中得到了类球形颗粒。从中得出,小分子的氢气由于对FePt纳米颗粒的表面有很强的吸附性,因此起到类似表面活性剂的作用,其还原性对FePt纳米颗粒的成分起到了调控作用。
(4)制备了FePt纳米线,纳米球,纳米立方颗粒与氧化铁的复合颗粒,形成的复合结构分别是点状,壳核结构和异质结结构。研究发现,FePt纳米颗粒的表面晶面结构对氧化铁的形核及生长起到关键作用。氧化铁会优先选择更容易和FePt纳米晶表面达到晶面匹配的某一点形核,进而在这一点长大形成复合结构。