二氧化硅包覆锰锌铁氧体纳米粒子的制备及表征.doc
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1、二氧化硅包覆锰锌铁氧体纳米粒子的制备及表征摘 要 锌取代锰铁氧体(Mn0.4Zn0.6Fe2O4)磁芯和二氧化硅(SiO2)壳组成的核/壳纳米粒子通过溶胶凝胶法制成,该方法利用正硅酸乙酯(TEOS)作为二氧化硅;铁盐、锰盐和锌盐则作为铁氧体的前驱体,用二氧化硅的三种不同的质量百分比来包覆纳米粒子。X射线衍射法证实了磁性纳米粒子是无定形二氧化硅与尖晶石混合状态。在不同温度下煅烧后样品的粒度大小是使用德拜-谢勒方程的X射线衍射图谱的311线的宽度估计。通过高分辨率透射电镜(HRTEM)测定几个选定样品,可以得出关于晶体结构与粒子尺寸的信息与通过X射线衍射法所得到的信息一致。高分辨透射电镜结果表明,
2、二氧化硅包覆在纳米粒子上,计算得包覆层厚度与从高分辨透射电镜图片测定一致。在温度范围内300至5 K测定的磁滞回线和室温下的穆斯堡尔光谱表明纳米粒子的超顺磁性。1前 言用各种非磁性纳米粒子的表面包覆磁性纳米粒子形成的核/壳结构的新材料1-4,不仅开辟了各种电子设备的多维工业应用5-11,而且还带来了各种生物医学应用12-14. 这些核/壳结构的纳米材料广泛应用于磁记录介质、催化剂,、铁磁流体,、药物输送和微波吸收 6,15。这个外壳可以保护磁性纳米粒子免受环境侵蚀及有效地增加邻近磁性纳米粒子之间的距离,从而在某种程度上减少纳米粒子的磁耦合度16。由于铁氧体在很大程度上具有高电阻率17和低生产成
3、本1820的优点,通常用于制造各种形状的变压器铁心,在这方面尖晶石的软磁铁氧体混合材料由于其磁特性容易被修饰已引起了高度重视1-4,10。就目前来说,在纳米科学和纳米技术领域开发一种新的具有较好稳定性的磁纳米材料的制备方法是一个挑战性的尝试。为了改善表面特性和保护在反应试剂中免受腐蚀,磁纳米粒子已用多种不同的方法来制备。具有纳米粒子大小的混合尖晶石锰锌铁氧体是一种重要的软磁材料,因为它具备应用在各种磁性器件上的潜力。我们报导了锌取代锰铁氧体(Mn0.4Zn0.6Fe2O4)核和二氧化硅(SiO2)壳组成的核/壳纳米粒子的表征和制备方法。一种新颖简单的溶胶凝胶方法已经被用于制备核/壳结构的纳米粒
4、子。系统地研究了不同二氧化硅的重量百分比制备核/壳结构的材料。二氧化硅包覆锰锌铁氧体纳米粒子准备三组,依次质量比为9、16、25。另外未包覆二氧化硅的铁氧体也被制备.所有这四个批次的在不同温度下煅烧,即400 , 600 , 800和1000下分别煅烧4小时,以获取不同尺寸的纳米粒子。X射线衍射、高分辨透射电子显微镜、磁性和穆斯堡尔效应被用于测试纳米粒子的特性。利用德拜-谢勒方程的X射线衍射图谱的311线估计出的纳米粒子的粒径在4-26nm范围内. 在温度范围内300至5 K下的直流磁化测量得到的穆斯堡尔光谱表明纳米粒子的超顺磁性。2实 验包覆二氧化硅的锰锌铁氧体的混合尖晶石纳米粒子可通过一个
5、简单的溶胶凝胶法制成。首先准备化学药品,是由MnCl24H2O、ZnSO47H2O和无水FeCl3组成的。铁氧体中锰、锌和铁盐的比例为0.4:0.6:2.0。将这些盐放入烧杯在80搅拌一小时,再逐滴加入25的氨溶液,直至生成共沉淀物,溶液PH值保持在10再继续剧烈搅拌半小时至共沉淀成为氢氧化物。然后,过滤沉淀后的金属氢氧化物并彻底清洗去除多余的离子,将过滤得到的共沉淀氢氧化物,放入100烘箱中干燥24小时。将柠檬酸溶解在150ml去离子水中,再将干燥后的氢氧化物加入其中并用力搅拌,在恒温100下持续搅拌3小时,随后将TEOS缓慢添加进去,恒温100下再继续搅拌6小时。形成的凝胶在玻璃培养皿中缓
6、慢蒸发。为了磁性纳米粒子的核壳结构稳定,对纳米粒子包覆的二氧化硅采取三种不同的质量百分比,分别是:9、16、25。将这四组样品(3个包覆二氧化硅和1个未包覆二氧化硅的纳米粒子样品)分别在400、600、800、1000下进行煅烧。X射线衍射图谱采用Brukers Advanced D8衍射仪,Cu Ka辐射、2 在 20 - 70.电子显微照片通过JEOL 2010电子显微镜获得,在室温至5K之间,直流磁测量方式使用振荡样品磁强计进行,该磁强计最大用磁场范围可达1T. 穆斯堡尔效应的测量使用了一种基于PC的分光计,它具有1024个微通道卡,可加速模式转换。所有测量都使用10mCi57Co源,
7、用 Rh 矩阵。分光计是用12mm厚的高纯度天然铁箔标定的。3实验结果及结论31 XRD分析对样品而言,一个典型的X射线衍射图 Mn0.4Zn0.6Fe 2O 4(1-x) SiO2 (x) (x= 0, 0.09, 0.16, 0.25)如图1显示。XRD图谱中的峰值与混合尖晶石锰锌铁氧体系统 8 记录的完全符合,证实了在目前混合尖晶石铁氧体的结构。此外,如果样品煅烧超过600 会观察到a-Fe2O3的峰(104),而在1000下煅烧a-Fe2O3的含量估计为4,锰锌铁氧体中a-Fe2O3的形成也被Rath 等发现21.四组样品的粒径都是通过德拜-谢勒方程计算得到的,D = 0.89/(co
8、s),其中为辐射波长,为半峰宽,为衍射角度。计算出的平均粒径范围是4至26nm。表1显示了纳米粒径与煅烧温度的关系。图1.煅烧在800的Mn0.4Zn0.6Fe 2O 4(1-x) SiO2 (x) 表1.不同涂层比例的Mn0.4Zn0.6Fe 2O 4的(x= 0, 0.09, 0.16, 0.25)的X射线衍射图 粒径、煅烧温度、格参数关系图32 HRTEM分析HRTEM测试了三种纳米粒子样品,其中两种为包覆25的二氧化硅并分别在600和1000下煅烧,另一种未包覆二氧化硅的样品在1000煅烧。电镜照片、选区电子衍射图和晶粒边缘通过HRTEM测试得到。图2给出了几个有代表性的图片,图2(a
9、)显示了包覆层为25二氧化硅并在600煅烧的锰锌铁氧体,这个数据明确表明了该铁氧体纳米粒子被二氧化硅包覆。为了准确地估算出纳米粒子的平均粒径,大部分粒子样品的半径都来自这三种不同粒子样品的显微图片。从显微图片中获得的粒径与那些通过XRD获得的数据相吻合。图2(b)显示了煅烧在1000下的锰锌铁氧体的选区电子衍射图。混合尖晶石纳米粒子的不同特征线,即(111)、(220)、(311)、(400)、(511)、(440)和(533)如图图2(b)所示。SAED图所得到的结果与XRD所得数据是一致的。从其他两种样品即包覆有25二氧化硅并在600和1000下煅烧所得的结果也同样符合混合尖晶石体系。为了
10、估计包覆层厚度,一个纳米粒子在HRTEM测试中被观察到,相应的图片如图2(c)所示,同时,我们还可以看出球形锰锌铁氧体纳米粒子的核表面覆盖着一层均匀连续的SiO2壳,厚度约为2.88nm,这个厚度同样可以通过SiO2的质量百分比和平均粒径(HRTEM显微图片所得)得到,是1.70nm,相对较低的计算结果可能是由于体系中纳米粒子的粒度分布。图2(d和e)显示显示了晶格边缘涂着二氧化硅层。这些条纹是一组相距0.29nm原子面与相邻面组成的,相当于(220)混合尖晶石铁氧体面。包覆层未发现晶型,这说明了二氧化硅涂层是无定形状态。同样,在涂层样品的XRD图谱也没有与二氧化硅相符合的峰出现,因此,可以很
11、明显地看出处在核/壳结构中二氧化硅是无定形的。从不同的样品电镜图片得到的粒径分布结果在柱状图2(f)中显示.涂层25二氧化硅并在600下煅烧的锰锌铁氧体的粒径符合了对数函数,这种对应关系如柱状图(图2(f)。对数函数得到的平均粒径是13nm,这和通过XRD得到的11nm符合。图2.(a)纳米粒子的HRTEM图(b)煅烧在1000下 图3. 煅烧在1000下的包覆(x=0.25)的样品的未包覆的锰锌铁氧体的选区电子衍射图(c) 在300K至5K区间的磁滞回线煅烧在1000下的包覆(x=0.25)的锰锌铁氧体的显微图(d) 煅烧在1000下的包覆(x=0.25)的样品涂层(e) 煅烧在1000下的
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