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钴基纳米颗粒的制备及其磁交换偏置效应研究

郭贝贝  
【摘要】:随着自旋电子器件不断向微型化方向发展,磁性纳米颗粒的尺寸也进一步减小,当铁磁性颗粒的尺寸低于超顺磁临界尺寸时,其组成的器件就丧失了磁存储的能力。交换偏置效应能增加铁磁纳米颗粒的磁各向异性,突破超顺磁临界尺寸的限制而受到广泛关注。铁磁/反铁磁复合纳米颗粒的交换偏置效应除了受铁磁层厚度、反铁磁层厚度、界面粗糙度等因素影响外,反铁磁材料中的微观结构如缺陷也是决定性能的重要因素。目前发现交换偏置效应的磁性纳米颗粒很多,其中钴基纳米颗粒由于钴具有低的超顺磁临界尺寸且钴的氧化物具有高的磁各向异性和奈尔温度而成为研究热点。CoO中的缺陷可以诱导铁磁性,但缺陷对其交换偏置效应的影响少有研究,反铁磁材料中的缺陷对铁磁/反铁磁纳米颗粒体系的交换偏置效应的影响更是有待探索。基于以上问题,本文重点围绕缺陷对钴基纳米颗粒的交换偏置效应的影响进行研究。具体研究结果如下:1.采用简单的溶剂热法合成分散性良好的八面体形状的CoO纳米颗粒,CoO纳米颗粒结晶性好且不含其它杂质,但存在大量的氧空位。磁性研究表明样品室温条件下均显示弱铁磁性,低温下显示出一定的交换偏置效应。由于CoO纳米颗粒中没有杂质但有大量氧空位,因此室温铁磁性是其内禀属性,其原因是氧空位产生了铁磁性钉扎。分析其产生交换偏置效应的原因主要是氧空位,即体相的反铁磁性和氧空位产生的铁磁性耦合导致CoO产生交换偏置,且氧空位浓度越高,其交换偏置效应越大。2.通过简单的溶剂热法制备了核壳结构的Co(核)/CoO(壳)纳米颗粒,对其磁性进行研究分析,结果显示Co/CoO纳米颗粒室温条件下为铁磁性,饱和磁化强度和矫顽力约为73 emu/g和290.5 Oe。5 K时Co/CoO纳米颗粒表现出明显的磁偏置,矫顽力和交换偏置场约为1321.5 Oe和631.7 Oe,由于样品中氧空位浓度较低,交换偏置效应主要由铁磁/反铁磁界面的耦合作用决定,本章进一步采用自旋构型示意图对Co/CoO复合纳米颗粒中交换偏置效应发生的过程进行解释。3.采用溶剂热法合成前驱体Co(OH)_2再经退火处理成功合成六角形的Co/Co_3O_4纳米片。对样品的磁性进行研究分析,发现Co/Co_3O_4纳米片的阻塞温度约为3.5 K,磁有序温度约为280 K,因此Co/Co_3O_4纳米片在室温下显示顺磁性,2 K温度时,Co/Co_3O_4纳米片显示有交换偏置效应,交换偏置场的大小为567.6 Oe。由于Co_3O_4中存在大量氧空位,样品的低温交换偏置场远高于相关文献中Co/Co_3O_4纳米颗粒的交换偏置场。


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