Preparação e propriedades magnéticas de Nd / FM (FM =Fe, Co, Ni) / PA66 nanocabos coaxiais de três camadas

Resumo

Um novo método de preparação de nanocabos coaxiais de três camadas foi desenvolvido neste trabalho. Nanocabos coaxiais de três camadas Nd / FM (FM =Fe, Co, Ni) / PA66 foram montados com sucesso de externa para interna, camada por camada. Os nanotubos PA66 que serviram como o invólucro externo foram preparados por umedecimento com solução de polímero modelo AAO. Metais ferromagnéticos e Nd foram depositados em nanotubos PA66 pré-preparados para servir como camada intermediária e núcleo interno, respectivamente. Os resultados mostram que a estrutura tem efeitos nas propriedades magnéticas, e a preparação do nanocabo permite que cada camada, comprimento e espessura dos nanocabos sejam ajustados.

Histórico

O nanocabo coaxial é um tipo especial de nanoestrutura 1D em um sistema composto, que tem atraído muito interesse por sua estrutura e propriedades exclusivas. Portanto, os nanocabos têm aplicações potenciais nas áreas de catalisador, armazenamento de energia, material fotoelétrico, nanobiotecnologia, proteção ambiental, sensor magnético e mídia de gravação magnética [1,2,3,4,5,6,7,8,9, 10,11]. O desenvolvimento de mídia de gravação magnética é limitado pelo limite super-paramagnético [12] e plano de gravação. A gravação perpendicular envolve a gravação de dados em colunas tridimensionais verticais, em vez de em duas dimensões. Para superar essas limitações, tanto a estrutura dos nanomateriais quanto a anisotropia efetiva do material podem ser inovadas e aprimoradas. Cilindros ferromagnéticos são sugeridos como um meio para atingir este objetivo.

Os cilindros ferromagnéticos incluem nanofios de multicamadas magnéticas, nanocabos e nanotubos e nanofios ferromagnéticos. Comparado com nanotubos e nanofios ferromagnéticos, os nanofios e nanocabos de multicamadas magnéticas melhoraram efetivamente as propriedades magnéticas [13,14,15,16] e os campos de aplicação estendidos. Entre os vários métodos de preparação, o método baseado em modelo é um dos métodos de preparação mais comuns. O tamanho, a forma e as propriedades estruturais dos nanocilindros eletrodepositados são controlados pelo modelo e pelos parâmetros de eletrodeposição. Bem conhecidos por todos, os materiais de ímã permanente consistem em materiais ferromagnéticos e um metal de terras raras. Inspirados por estes, nanofios ferromagnéticos dopados com um elemento de terra rara preparado e podem alterar as propriedades magnéticas de compósitos [17]. Até onde sabemos, nanocabos magnéticos dopados com Nd raramente foram relatados. Preparamos uma série de arranjos nanocabáveis multicamadas dopados com terras raras e investigamos suas propriedades magnéticas [18].

Aqui, uma breve visão geral do método de preparação de nanocabáveis de última geração sem o uso de qualquer agente de modificação é apresentada. Empregamos o modelo de óxido de alumínio anodizado (AAO), que possui canais regulares e uma ampla faixa de tamanho e é adequado para nanotubos e nanofios e nanocabáveis, para preparar Nd / FM (FM =Fe, Co, Ni) / PA66 de camada tripla nanocabos coaxiais camada por camada. A camada mais externa de nanotubos PA66 foi fabricada por umidificação de solução modelo AAO. O invólucro externo consistindo de um nanotubo de polímero pode evitar que o núcleo de metal interno seja oxidado e corroído e reter a excelente condutividade e magnetismo. Os nanotubos ferromagnéticos de camada intermediária e os nanofios Nd internos foram eletrodepositados e, por sua vez, a eletrodeposição pode controlar efetivamente a estrutura geométrica. As propriedades magnéticas dos nanocabos coaxiais foram estudadas.

Métodos

Preparação de nanotubos PA66 e eletrodo de trabalho

Nanotubos de poliamida 66 (PA66) podem ser obtidos molhando os modelos AAO (o diâmetro é de cerca de 200 nm e a espessura é de cerca de 60 μm) com solução de ácido fórmico de PA66 de 2 a 6% em peso. Uma gota de solução de PA66 foi colocada em uma lâmina de vidro e, em seguida, um pedaço de molde AAO foi coberto com a solução de PA66. Os nanotubos de PA66 foram obtidos após 40 s. Uma camada de filme de PA66 foi tratada com ácido fórmico para abrir os nanotubos de PA66. E então uma fina película de Au foi pulverizada em um lado da membrana composta PA66 / AAO para servir como um eletrodo de trabalho.

Preparação de nanotubos coaxiais FM (FM =Fe, Co, Ni) / PA66

As soluções de eletrólito foram preparadas de 0.7 M Ni ²⁺ , 0,8 M Co ²⁺ e 0,8 M Fe ²⁺ solução aquosa separadamente. - 1,0 V / SCE para Ni ²⁺ , - 1,2 V / SCE para Co ²⁺ e - 1,2 V / SCE para Fe ²⁺ foram empregados para preparar nanotubos de Ni, Co e Fe, respectivamente, em nanotubos PA66 por 15 min para obter os nanotubos duplos FM / PA66.

Preparação de nanocabos coaxiais Nd / FM / PA66

1.0 M Nd ³⁺ de solução de eletrólito foi preparada e, em seguida, - 2,5 V de corrente contínua foi introduzida para preparar nanofios Nd nos nanotubos coaxiais FM / PA66 por 60 min para formar nanocabos coaxiais Nd / FM / PA66

No experimento de eletrodeposição acima, um filme de platina foi usado como contra-eletrodo e um eletrodo de Ag / AgCl em solução saturada de KCl como eletrodo de referência. A Figura 1 mostra o diagrama esquemático da preparação de nanocabos de três camadas, como segue:

Caracterização

Microscopia eletrônica de varredura (SEM; JEOL JSM-6390LV) e microscopia eletrônica de transmissão (TEM; CM200-FEG equipado com um GIF) foram usados para caracterizar as nanoestruturas. Para medição de TEM, uma gota de amostra diluída (5 μL) foi colocada em uma grade de cobre e evaporada antes da observação. A análise do elemento foi identificada por difração de raios-X (XRD; Bruker D8 Advance com uma radiação Cu-Kα, λ =1,5418 Å). As medições de magnetização dos nanotubos duplos FM e nanocabos Nd / FM / PA66 foram realizadas à temperatura ambiente em um magnetômetro de amostra vibrante (VSM; Lakeshore 7307).

Resultados e discussão

Fizemos uma série de experimentos de condição para garantir melhores condições que fizessem os nanotubos PA66 e os nanotubos FM crescerem no mesmo comprimento. A nanoestrutura dos nanotubos FM / PA66 é mostrada na Fig. 2. Como pode ser visto nas imagens SEM mostradas na Fig. 2a, c, e, os nanotubos FM e os nanotubos PA66 são quase do mesmo comprimento, e as bocas dos nanotubos são quase abrir. Depois de remover o modelo AAO, os nanotubos FM / PA66 formaram matrizes regulares. As imagens TEM comprovam ainda mais a nanoestrutura de nanotubos de camada dupla. Como pode ser visto na Fig. 2b, d, f, as paredes dos nanotubos PA66 como uma bainha são contínuas. E as nanopartículas do FM distribuídas uniformemente na parede interna dos nanotubos de PA66. Conforme descrito em nosso estudo anterior [19], o diâmetro das nanopartículas é de cerca de 5 nm, e cada nanopartícula é considerada um domínio magnético. Uma certa quantidade de nanopartículas de FM se juntou para formar nanotubos de FM. Portanto, os nanotubos PA66 e os nanotubos FM formaram nanotubos coaxiais de camada dupla.

Os metais de terras raras são um dos elementos dos ímãs permanentes. Inspirado por isso, Nd foi eletrodepositado nos nanotubos de camada dupla acima para fazer nanocabos coaxiais de três camadas. A morfologia da nanoestrutura de Nd / FM / PA66 é mostrada na Fig. 3. Imagens SEM mostram que as nanoestruturas são multicamadas e têm quase o mesmo comprimento (os parâmetros de tamanho das nanoestruturas mostrados na Tabela 1). O contraste entre as interfaces de polímero e metal é claramente mostrado nas imagens TEM. Portanto, a imagem TEM do nanocabo Nd / Ni / PA66 na Fig. 3b mostra que o contraste é claro entre a camada externa e a camada interna. A camada mais externa é o nanotubo PA66 com parede uniforme e contínua, e a camada interna é composta de Nd e Ni. É exibido que a camada interna é compacta. O contraste não pode ser reconhecido entre Nd e Ni porque são todos metais. Como pode ser visto na Fig. 3d, f, é óbvio que a nanoestrutura é uma estrutura de núcleo / casca. Da mesma forma, é claro para o contraste entre as interfaces do PA66 e FM e não é claro entre os dois metais.

O padrão de difração de raios-X para a amostra é mostrado na Fig. 4. Os picos de difração distintos observados em 2 θ de 44,32 ° e 75,72 ° são consistentes com o pico de difração de (111) e (220) planos cristalinos de Co, e os picos de difração de Fe (101) e Fe (105) correspondem a 2 θ =44,32 ° e 77,56 °, e os picos de difração de Ni (011) e Ni (103) correspondem a 2 θ =44,32 ° e 77,56 °, respectivamente. 2 θ =77,56 ° é também um pico de difração típico de Nd (206). Picos de difração (2 θ de 37,78 °, 64,48 °, 77,56 ° e 81,77 °) de Au que foram introduzidos pelo filme de Au sputtered usado para eletrodeposição são abrangentes, porque o valor de Au é grande, então alguns dos picos de Au se sobrepõem aos de Fe e Co e Ni.

O magnetismo de todas as amostras encapsuladas no modelo AAO foi medido. Os modelos AAO têm uma certa quantidade de antimagnetismo e energia magnética das amostras ligeiramente reduzida. A Figura 5a-f mostra os loops de histerese de magnetização (M-H) dos nanotubos FM / PA66 e dos nanocabos Nd / FM / PA66. Pode-se observar que tanto os nanotubos quanto os nanocabos possuem anisotropia magnética. É muito fácil entender que os dois sistemas possuem o mesmo diâmetro externo, o que determina a anisotropia magnética dos nanotubos e nanocabos. O magnetismo dos nanocabos é mais forte do que o dos nanotubos após o Nd depositado. Isso ocorre porque o Nd, como um metal de terras raras típico, possui um grande acoplamento spin-orbital, quando as nanopartículas de Nd se difundiram em FM na interface composta e trabalharam em conjunto com metais FM, o que leva a um efeito sinérgico e aumenta a anisotropia magnética de Nd / FM / PA66 nanocabos [20]. De acordo com a Fig. 5, os parâmetros magnéticos dos três sistemas são mostrados na Tabela 2. Pode-se observar claramente que os parâmetros magnéticos dos nanocabos como coercividade e magnetização residual paralela ao eixo longo são maiores do que os da direção vertical e nanotubos.

Conclusões

Os arranjos nanocabáveis de três camadas Nd / FM (FM =Fe, Ni, Co) / PA66 foram preparados com sucesso, respectivamente. Os nanocabos Nd / FM / PA66 apresentam alta anisotropia magnética devido às características do metal de terras raras e seu efeito sinérgico com o FM. As matrizes nanocabáveis não apenas fornecem uma nova nanoestrutura magnética, mas também têm aplicação potencial em armazenamento magnético perpendicular e dispositivos eletrônicos.

Abreviações

AAO:: Óxido de alumínio anódico
FM:: Fe, Co, Ni
M-H:: Loops de histerese de magnetização
PA66:: Poliamida 66
SEM:: Microscópio eletrônico de varredura
TEM:: Microscopia eletrônica de transmissão
XRD:: Difração de raios X

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