Ni薄膜等材料制備過(guò)程中外加磁場(chǎng)效應(yīng)的研究.pdf

1、像溫度和壓力一樣，磁場(chǎng)有可能發(fā)展成為調(diào)控材料結(jié)構(gòu)和性能的重要參數(shù)。本論文致力于在磁場(chǎng)下制備磁性Ni薄膜等材料，研究磁場(chǎng)如何影響生長(zhǎng)習(xí)性、磁疇結(jié)構(gòu)和磁性能，得到了一些結(jié)果，詳細(xì)內(nèi)容歸納如下： 1.探索在低溫溶劑熱條件下沉積薄膜的工藝技術(shù)。成功發(fā)展了一步化學(xué)法在硅基底上沉積金屬銅薄膜工藝，制備的銅膜厚度約為2.2 μm，是由大小為45～60nm的銅納米粒子組成的多晶膜，銅膜具有海綿狀多孔的特殊結(jié)構(gòu)。我們制備的銅膜具有較高的電阻率和較

2、低的楊氏模量，分別為300 μΩ cm和0.46 GPa，研究發(fā)現(xiàn)這與其特殊的海綿狀結(jié)構(gòu)有關(guān)。該工作為進(jìn)一步制備鎳薄膜奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。 2.基于沉積銅膜的工作基礎(chǔ)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)低溫水熱反應(yīng)來(lái)沉積磁性鎳膜，并在反應(yīng)體系中引入了磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.30 T的外加磁場(chǎng)，研究磁場(chǎng)對(duì)磁性薄膜結(jié)構(gòu)及性能的影響。制備的鎳膜具有銀色金屬光澤，肉眼觀看平整致密，且與硅基底結(jié)合緊密。其它條件完全相同的情況下，施加外磁場(chǎng)能使薄膜的厚度顯著增加：磁場(chǎng)下合成

3、的薄膜厚度約為1.35 μm，而沒(méi)有磁場(chǎng)條件下制備的鎳膜厚度僅約為0.80 μm。磁力顯微鏡分析發(fā)現(xiàn)外加磁場(chǎng)可以誘導(dǎo)膜內(nèi)磁疇趨于有序，呈線性排列，不同于無(wú)磁條件下雜亂無(wú)章的磁疇結(jié)構(gòu)。磁疇結(jié)構(gòu)的顯著不同導(dǎo)致了磁性能的變化：外加磁場(chǎng)條件下合成鎳膜的飽和磁化強(qiáng)度和矯頑力分別為495 emu/cm<'3>，65 Oe，比無(wú)磁場(chǎng)條件下合成的樣品的數(shù)值要高(分別為338 emu/cm<'3>，48 Oe)。這些結(jié)果說(shuō)明外加磁場(chǎng)也可以引入磁性薄膜的合

4、成中，并對(duì)磁性薄膜的磁疇結(jié)構(gòu)和磁性能產(chǎn)生影響。在反應(yīng)過(guò)程中施加磁場(chǎng)的合成方法也可以推廣用于其它鐵磁性薄膜的制備，如鈷薄膜等。 3.在簡(jiǎn)單水熱體系中，合成了大小約為20μm的磁性鎳的樹葉狀枝晶結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)枝晶具有獨(dú)特的取向，主干首先沿[111]方向生長(zhǎng)，然后一側(cè)分枝沿[-111]方向生長(zhǎng)，而另一側(cè)分枝則沿[100]方向生長(zhǎng)。因?yàn)橹У闹鞲缮L(zhǎng)方向[111]是立方鎳晶體的易磁化軸方向，這可能導(dǎo)致了樣品矯頑力和剩磁比較低，分別為77

5、 Oe和0.10。不過(guò)，枝晶結(jié)構(gòu)所具有的高結(jié)晶性提高了樣品的飽和磁化強(qiáng)度(48emu/g)。對(duì)于在水熱這樣一個(gè)平衡體系中鎳枝晶是如何形成的，我們提出了一個(gè)新的模型--磁誘導(dǎo)擴(kuò)散受限生長(zhǎng)的機(jī)制來(lái)解釋。在溶液中，部分鎳離子首先被還原生成鎳核，這些鐵磁性鎳核產(chǎn)生的磁場(chǎng)可以誘導(dǎo)溶液中剩余的順磁性鎳離子聚集在鎳核周圍，鎳核附近的鎳離子濃度較高，導(dǎo)致電極電勢(shì)增大而使得鎳核附近更容易發(fā)生還原反應(yīng)。由于前驅(qū)物溶液中的鎳離子濃度很低，因此鎳不能源源不斷的

6、供給，而是受限的。因?yàn)殒嚬┙o的受限，導(dǎo)致鎳核首先沿著一個(gè)方向生長(zhǎng)，形成主干，鎳核表面后被還原的鎳沿著主干由底部往上輸運(yùn)，提供給主干的生長(zhǎng)，側(cè)枝隨之也開始生長(zhǎng)，最后形成了樹葉狀枝晶結(jié)構(gòu)。有報(bào)道稱其它磁性材料也能在平衡體系中形成枝晶結(jié)構(gòu)，用我們的模型也能給予很好的解釋。 4.為了使外加磁場(chǎng)對(duì)反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生影響，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)低溫并且緩慢進(jìn)行的水熱體系，在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下(0 T，0.15 T，0.30 T)合成金屬鎳。發(fā)現(xiàn)在磁場(chǎng)強(qiáng)度較弱的情況下

7、，得到的產(chǎn)物不全是納米海參分級(jí)結(jié)構(gòu)，還有部分納米海膽結(jié)構(gòu)，而當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度足夠大時(shí)(如0.30 T)，則可以誘導(dǎo)次級(jí)結(jié)構(gòu)成納米海參分級(jí)結(jié)構(gòu)。在這里我們提出了一個(gè)可能的納米海參分級(jí)結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)誘導(dǎo)組裝機(jī)理：首先溶液中的鎳離子被還原形成一個(gè)個(gè)的鎳核，其次，在磁場(chǎng)作用下，被還原的鎳核沿外加磁場(chǎng)的磁力線方向排列，并在CTAB的控制下，鎳核逐漸一維生長(zhǎng)成短棒，這些短棒互相交錯(cuò)最終形成了分級(jí)結(jié)構(gòu)。對(duì)在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下(0 T，0.15T，0.30 T)得到