Fe—Co—Ni納米線陣列的制備及磁學性能研究

左志立 李越星

摘 要：文章中，我們以陽極氧化鋁膜作為模板，通過直流電化學沉積的方法成功地制備出了Fe-Co-Ni三元合金納米線有序陣列。通過納米線陣列的形貌和結構的研究，發現Fe-Co-Ni納米線直徑均一且與模板孔徑相等，具有多晶結構。最后通過振動樣品磁強計（VSM）對Fe-Co-Ni納米線陣列磁性進行了研究，結果發現，納米線陣列在平行和垂直方向上的矯頑力和剩磁比均有所不同，表現出較強的磁各向異性，這是由其大的長徑比而引起的大的形狀各向異性和本身較大的磁晶各向異性決定的。

關鍵詞：氧化鋁模板；Fe-Co-Ni納米線；電化學沉積；磁學性能

中圖分類號：TB383 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）19-0113-03

Abstract： In this paper， Fe-Co-Ni ternary alloy nanowire arrays were successfully prepared by direct current electroless deposition using anodic alumina film as template. By studying the morphology and structure of the nanowire array， it is found that Fe-Co-Ni nanowires are homogeneous in diameter and have the same pore size as the template， and have polycrystalline structure. Finally， the magnetic properties of Fe-Co-Ni nanowire arrays are studied by vibrating sample magnetometer （VSM）. The results show that the coercivity and remanence ratio of the nanowire arrays are different in parallel and vertical directions， showing strong magnetic anisotropy. This is determined by the large shape anisotropy caused by its large aspect ratio and its own larger magnetocrystalline anisotropy.

Keywords： alumina template； Fe-Co-Ni nanowires； electrochemical deposition； magnetic properties

引言

磁性納米線陣列具有重要的基礎和應用特性，它們的小尺寸和可調性能使其適用于常規器件的最小化應用領域中，如磁存儲器件，自旋電子學和傳感器[1-3]。要在特定應用中使用磁性納米線陣列，至關重要的是適當地調整它們的磁性。形狀各向異性，線間靜磁偶極相互作用和磁晶各向異性對確定納米線陣列的磁性行為有重要貢獻[4，5]。

與此同時，納米線可以大大提高磁存儲材料的存儲密度，在高密度磁存儲領域有重要的應用價值[6-8]。其中，最為突出的是在鐵磁-鐵磁合金磁性納米線陣列，其具有高的剩磁比和矯頑力，但這些研究都是集中在單質或者二元合金的磁性納米線當中，而關于三元合金磁性納米線陣列的研究相對較少。尤其是Fe-Co-Ni具有較好的磁學性能，以及較大的矯頑力和磁化強度，在磁存儲領域具有重要的應用[9-11]。因此，對Fe-Co-Ni納米線陣列的研究具有重要的意義。

制備合金納米線陣列的方法多種多樣，在本文中，我們采用的是利用模板為成型基底，通過電化學沉積的方法法制備合金納米線陣列。該模板孔洞呈有序平行排列，孔徑可根據實驗需求可調[12]。因此在本文中，我們報道了在模板的基礎上，通過電沉積來制備Fe-Co-Ni磁性納米線陣列，并探究了其磁學性能。

1 實驗過程

在本文中，我們將通過二次氧化的方法制備具有均一孔徑的氧化鋁（AAO）模板，具體實施方法如文獻所述[13，14]。需要注意的是第一次陽極氧化通常需要16個小時才能在氧化鋁/鋁的界面上形成自組裝的孔道。這一步驟的時間越長，氧化鋁/鋁界面孔隙的密度就越高。并利用電化學沉積法在模板孔洞中生長多種具有均一直徑為75nm的金屬納米線。

沉積液的配制為：NiSO4·5H2O（80g/L）、CoSO4·7H2O

（80g/L）、FeSO4·7H2O（80g/L）、H3BO3（40g/L）、C6H6O5（10g/L）。

將配置好的電解液倒入電解池中，陽極氧化鋁膜為陽極，石墨板為陰極。沉積反應在3V的直流電壓下進行。

2 結果與討論

在多孔陽極氧化鋁膜的研究中，我們利用掃描電子顯微鏡，對膜的表面進行分析。

圖1中的SEM圖像顯示了本研究中使用的多孔氧化鋁模板的俯視圖。如圖所示，其是在0.3M硫酸溶液中進行后續蝕刻處理20分鐘后進行陽極氧化，所有樣品的孔間距相同。估計納米孔道的擴張速率約為每分鐘1.2nm。也可以看到，在蝕刻處理20分鐘后納米孔道寬至75nm，即孔的平均直徑約為75nm，納米孔的長度約為幾十微米（側面圖沒有顯示出來）。實驗證明，可以通過改變陽極氧化時間來控制納米孔的直徑。從圖中可以看到，經過一次氧化并去膜處理得到的模板孔徑呈六方棱柱形，大小均勻，在晶粒范圍內排列一致有序。

為了確定所制備納米線的形貌和微觀結構，采用透射電子顯微鏡對單根納米線的形貌和結構進行了觀察。在進行透射電鏡觀察以前首先將Fe-Co-Ni納米線從AAO模板中剝離出來。圖2（a）和（b）分別是Fe-Co-Ni納米線陣列的多根分散納米線TEM圖和單根納米線TEM圖，從單根納米線TEM圖可知道，該納米線的直徑均勻，可以看出直徑約為75nm，說明該納米線形貌完全復制了AAO模板的結構，圖2（c）和（d）分別是梯度直徑的Fe-Co-Ni納米線陣列的電子選區衍射圖和EDX圖，可以看出該納米線也為多晶結構，其三種元素之比為1：1：1。

圖3是Fe-Co-Cu納米線陣列與多孔氧化鋁模板組裝體系的X射線衍射圖譜。從圖3的分析可知，出現bcc的Fe7Co3（110）和Fe7Co3（200）晶面的強衍射峰。這表明Fe-Co-Ni納米線中的Fe-Co晶粒沿著（110）、和（200）方向生長，且它在（110）和（200）方向有較強的擇優取向性。此外還有明顯出現fcc的Fe0.64Ni0.36（111）、（200）和（220）晶面的衍射峰。這表明Fe-Co-Ni納米線中的Fe-Ni晶粒沿著Fe0.64Ni0.36（111）、（200）和（220）方向生長，且同時在這三個方向有比較一致的擇優取向性。多孔氧化鋁模板本身為非晶態結構，不會產生晶體衍射峰。由此可見在所沉積的復相結構的納米陣列中，同時包含了fcc Fe-Ni和bcc Fe-Co合金兩種相結構。

在Fe-Co-Ni納米線陣列中測量了磁滯回線，其中在平行和垂直納米線的方向上施加外加磁場。圖4顯示了對Fe-Co-Ni納米線陣列在兩個不同方向上測量的磁滯回線。從圖中可以看出，垂直方向和平行方向上的磁滯回線形狀不一樣，其平行和垂直方向的磁滯回線有著非常明顯的磁各向異性，每個方向上的矯頑力和剩磁比均不相同，而且相差較大，這主要是由于納米線直徑小而導致非常大的形狀各向異性從而引起的非常大的磁性差異。如圖4所示，平行納米線方向的矯頑力和垂直于納米線方向的矯頑力分別為372和55，與相似組份的膜材料比較起來有很大的提高。本文中納米線的長徑比達400，這種高長徑比的形貌特性是導致大矯頑力和磁各向異性的原因。

3 結束語

本文中我們制備了多孔氧化鋁模板以及基于這種模板采用電化學沉積的方法制備了Fe-Co-Ni納米線陣列。掃描電子顯微鏡（SEM）表征結果表明：制備的Fe-Co-Ni納米線具有均一的直徑，直徑為約75 nm。在對Fe-Co-Ni納米線陣列進行X射線衍射分析時，衍射圖上出現fcc結構的Fe0.64Ni0.36（111）、（200）和（211）的衍射峰，還有bcc結構的Fe7Co3（110）和（200）的衍射峰，說明得到的納米線結晶在這些方向上存在擇優取向。Fe-Co-Ni納米線陣列的易磁化方向沿著納米線軸向，即垂直于膜面，且具有較高的磁各向異性。

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