FePt/CoPt纳米材料及其复合纳米体系的制备、结构与磁性能

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随着磁记录技术的不断发展,超顺磁效应成为限制磁存储密度进一步提高的瓶颈。以具有更高磁晶各向异性能Ku的硬磁性材料代替当前磁盘工业中使用的磁性材料,被认为是克服超顺磁效应,进一步提高磁存储密度的可行方案。L10相的FePt/CoPt合金具有非常高的磁晶各向异性能,以及良好的化学稳定性和抗氧化性,因而在实现超高密度磁存储方面具有十分巨大的应用前景。为了使得合成的超顺磁fcc-FePt/CoPt纳米颗粒能够用于超高密度磁存储,需要高温退火获得L10相,由此产生的FePt//CoPt颗粒团聚、有序点阵破坏问题,成了急需解决的障碍。另外如何获得fct-FePt//CoPt纳米颗粒/纳米棒沿着磁化易轴取向排列,也是当今磁记录材料与器件研究的一个热点。本论文针对FePt/CoPt纳米合金在超高密度磁存储方面存在的一些问题,开展了L10-FePt/CoPt纳米材料的制备和性能的研究。采用化学溶液法合成FePt;纳米颗粒及纳米棒,重点对合成过程中施加外磁场对FePt纳米结构的相、形貌与磁性能的影响进行了表征。还利用溶胶凝胶法与FePt纳米颗粒的自组装相结合的工艺,制备了FePt-MgO和FePt-Al2O3纳米复合体系,并对pH值和FePt负载量对纳米复合体系的结构、形貌以及磁性能的影响,进行了较深入的研究。最后探索了原子层沉积(Atomic layer deposition)在CoPt薄膜制备方面的应用。本论文取得的主要进展如下:1、将外磁场与FePt纳米颗粒的化学溶液合成和纳米颗粒薄膜的制备过程相结合,发现合成时施加外磁场不仅明显改善了FePt纳米颗粒薄膜的c轴择优取向,择优取向度D(001)从不加磁场的0.63提高到3.47,而且有利于样品从fcc超顺磁相转变到fct铁磁相。外磁场下合成的FePt纳米颗粒膜磁性能不仅表现出一定的各向异性,而且同样具有良好的单分散性,通过滴注法可以制备出大范围的FePt纳米颗粒自组装阵列。通过对FePt纳米颗粒合成方法的改进,探索直接制备L10-FePt纳米棒的工艺,研究了铁源加入温度、反应时间、溶剂选择与比例以及外加磁场对纳米棒的结构、组成和形貌的影响。在相对优化工艺条件下:乙酰丙酮铁源60℃加入,油胺:十八烯=1:1,反应时间3小时,反应温度180℃,合成的FePt纳米棒经过高温退火后转变为fct-FePt。而合成中原位施加磁场有助于获得没有分叉的单晶fct-FePt纳米棒。2、利用溶胶—凝胶法制备了FePt-MgO纳米复合体系,深入研究了MgO溶胶不同pH值下对纳米复合体系结构、形貌、化学组成和性质的影响,系统优化了FePt-MgO纳米复合体系的制备工艺。pH=7条件下制备的FePt-MgO纳米复合体系,可以较好地保持FePt纳米颗粒的分散性,减少在退火过程中的团聚,防止FePt颗粒表面Fe元素的氧化。pH=7, FePt与MgO摩尔比为1:2时,制得的FePt-MgO纳米复合体系具有最佳的分散性和磁性能,矫顽力可达4.65 kOe,剩磁比为0.62。利用溶胶—凝胶法制备了FePt-Al2O3纳米复合薄膜,并对其结构、微观形貌和性能进行了研究。当pH=7, FePt和A1203的摩尔比为1:10时,所制备的FePt-Al2O3纳米复合薄膜具有较好的分散性,其矫顽力可达4.99 kOe,并且有较高的剩磁比为0.72。3、首次尝试将原子层沉积(ALD)技术应用于CoPt薄膜的制备。利用PEALD技术,以二羰基环戊二烯基钻(CpCo(CO)2)和氧气等离子体为前驱体,制备了氧化钴薄膜。研究了循环次数和沉积温度对薄膜形貌和价态的影响。沉积温度100℃,薄膜生长速度为0.11 A/cycle,具有较小的表面粗糙度(约0.5nm)。提高沉积温度,有利于Co源中有机基团的去除和氧化钴的生成。采用4:1的Co/Pt生长循环比300℃ALD制备了氧化钴-Pt复合薄膜。复合薄膜表面有均匀分布的Pt晶粒。700℃下还原性气氛退火后,生成CoPt3相,EDS能谱结果证实Co和Pt摩尔比为1:2.60,接近1:3。VSM测量表明,薄膜退火后呈现来自于Si衬底的较强抗磁性,在较弱磁场下呈现来自氧化钴的微弱铁磁性,与薄膜样品中Co元素的严重缺损无法形成CoPt铁磁相有关。
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