Fabricação e Comportamento Magnético de Nanocabos Coaxiais de Três Camadas Nd/Ferromagnético/PA66

Resumo

Novo método de preparação de nanocabos coaxiais de três camadas foi desenvolvido neste trabalho. Nanocabos coaxiais Nd/FM (FM=Fe, Co, Ni)/PA66 de três camadas foram montados com sucesso da camada externa para interna, camada por camada. Nanotubos de PA66 que serviram como casca externa foram preparados por umidificação de solução polimérica em molde AAO. Metais ferromagnéticos e Nd foram depositados em nanotubos de PA66 pré-preparados para servir como camada intermediária e núcleo interno, respectivamente. Resultados mostram que a estrutura afeta propriedades magnéticas, e preparação de nanocabos permite que cada camada, comprimento e espessura dos nanocabos sejam ajustados.

Contexto

Nanocabo coaxial é tipo especial de nanoestrutura 1D em sistema composto, que atraiu muito interesse por sua estrutura e propriedades únicas. Portanto, nanocabos têm aplicações potenciais em catalisador, armazenamento de energia, material fotoelétrico, nanotecnologia biológica, proteção ambiental, sensor magnético e mídia de gravação magnética. Desenvolvimento de mídia de gravação magnética é limitado pelo superparamagnetismo e limite de gravação planar. Gravação perpendicular envolve gravação de dados em colunas verticais tridimensionais em vez de duas dimensões. Para superar estas limitações, tanto a estrutura de nanomateriais quanto a anisotropia efetiva do material podem ser inovadas e melhoradas. Cilindros ferromagnéticos são sugerados como meio para atingir este objetivo.

Cilindros ferromagnéticos incluem nanofios multicamada magnéticos, nanocabos, nanotubos e nanofios ferromagnéticos. Comparados a nanotubos e nanofios ferromagnéticos, nanofios multicamada magnéticos e nanocabos têm propriedades magnéticas efetivamente melhoradas e campos de aplicação estendidos. Entre vários métodos de preparação, método baseado em molde é um dos mais comuns. Tamanho, forma e propriedades estruturais de nanocilindros eletrodepositados são controlados pelo molde e parâmetros de eletrodeposição. Bem conhecido, materiais de ímã permanente consistem de materiais ferromagnéticos e metal de terra rara. Inspirados por isso, nanofios ferromagnéticos dopados com elemento de terra rara foram preparados e podem alterar propriedades magnéticas de compostos. Para nosso conhecimento, nanocabos magnéticos dopados com Nd raramente foram relatados. Preparamos série de arrays de nanocabos multicamada dopados com terra rara e investigamos suas propriedades magnéticas.

Aqui, visão geral breve de método de preparação de nanocabos de ponta sem uso de agente modificador é apresentada. Empregamos molde de óxido de alumínio anodizado (AAO), que tem canais regulares e ampla faixa de tamanho adequada para nanotubo, nanofio e nanocabo, para preparar nanocabos coaxiais tri-camada Nd/FM (FM=Fe, Co, Ni)/PA66 camada por camada. Camada mais externa de nanotubos PA66 foi fabricada por umidificação de solução em molde AAO. Casca externa consistindo de nanotubo polimérico pode manter núcleo metálico interno de ser oxidado e erosionado e reter excelente condutividade e magnetismo. Nanotubos ferromagnéticos de camada intermediária e nanofios internos de Nd foram eletrodepositados, e por sua vez, a eletrodeposição pode controlar efetivamente estrutura geométrica. Propriedades magnéticas dos nanocabos coaxiais foram estudadas.

Métodos

Preparação de Nanotubos PA66 e Eletrodo de Trabalho

Nanotubos de Poliamida 66 (PA66) podem ser obtidos umedecendo moldes AAO (diâmetro ~200 nm, espessura ~60 µm) com solução de PA66 em ácido fórmico 2-6% p/p. Gota de solução PA66 foi colocada em lâmina de vidro, e então pedaço de molde AAO foi coberto sobre solução PA66. Nanotubos PA66 foram obtidos após 40 s. Camada de filme PA66 foi tratada com ácido fórmico para abrir nanotubos PA66. Então filme fino de Au foi sputterizado em lado da membrana composta PA66/AAO para servir como eletrodo de trabalho.

Preparação de Nanotubos Coaxiais FM (FM=Fe, Co, Ni)/PA66

Soluções eletrolíticas foram preparadas de 0,7 M Ni²⁺, 0,8 M Co²⁺ e 0,8 M Fe²⁺ aquosas separadamente. -1,0 V/SCE para Ni²⁺, -1,2 V/SCE para Co²⁺ e -1,2 V/SCE para Fe²⁺ foram empregados para preparar nanotubos de Ni, Co e Fe, respectivamente, em nanotubos PA66 por 15 min para obter nanotubos duplos FM/PA66.

Preparação de Nanocabos Coaxiais Nd/FM/PA66

Solução eletrolítica 1,0 M Nd³⁺ foi preparada, e então -2,5 V corrente contínua foi aplicada para preparar nanofios de Nd em nanotubos coaxiais FM/PA66 por 60 min para formar nanocabos coaxiais Nd/FM/PA66.

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

Caracterização

Microscopia eletrônica de varredura (MEV; JEOL JSM-6390LV) e microscopia eletrônica de transmissão (MET; CM200-FEG equipado com GIF) foram usadas para caracterizar nanoestruturas. Para medição MET, gota de (5 µL) amostra diluída foi colocada em grade de cobre e evaporada antes da observação. Análise elementar foi identificada por difração de raios-X (XRD; Bruker D8 Advance com radiação Cu-Kα, λ = 1,5418 Å). Medidas de magnetização dos nanotubos duplos FM e nanocabos Nd/FM/PA66 foram realizadas à temperatura ambiente em magnetômetro de amostra vibratória (VSM; Lakeshore 7307).

Resultados e Discussão

Realizamos série de experimentos de condição para garantir melhores condições que fazem nanotubos PA66 e FM crescerem no mesmo comprimento. Nanoestrutura de nanotubos FM/PA66 é mostrada na Fig. 2. Como visto nas imagens MEV na Fig. 2a, c, e, nanotubos FM e PA66 são quase do mesmo comprimento, e bocas dos nanotubos estão quase abertas. Após remover molde AAO, nanotubos FM/PA66 formaram arrays regulares. Imagens MET provam ainda mais nanoestrutura de nanotubos de dupla camada. Como visto na Fig. 2b, d, f, paredes de nanotubos PA66 como bainha são contínuas. E nanopartículas de FM distribuídas uniformemente na parede interna de nanotubos PA66. Como descrito em estudo prévio, diâmetro de nanopartículas é ~5 nm, e cada nanopartícula é considerada um domínio magnético. Certa quantidade de nanopartículas FM uniram-se para formar nanotubos FM. Portanto, nanotubos PA66 e FM formaram nanotubos coaxiais de dupla camada.

Metais de terra rara são elementos de ímãs permanentes. Inspirados por isso, Nd foi eletrodepositado nos nanotubos de dupla camada acima para fazer nanocabos coaxiais de três camadas. Morfologia de nanoestrutura Nd/FM/PA66 mostrada na Fig. 3. Imagens MEV mostram que nanoestruturas são multicamada e têm quase mesmo comprimento (parâmetros de tamanho mostrados na Tabela 1). Contraste entre interfaces de polímero e metal é claramente mostrado nas imagens MET. Portanto, imagem MET do nanocabo Nd/Ni/PA66 na Fig. 3b mostra que contraste é claro entre camada externa e interna. Camada mais externa é nanotubo PA66 com parede uniforme e contínua, e camada interna composta por Nd e Ni. Exibe-se que camada interna é compacta. Contraste não pode ser reconhecido entre Nd e Ni porque ambos são metais. Como visto na Fig. 3d, f, é óbvio que nanoestrutura é estrutura núcleo/casca. Da mesma forma, é claro para contraste entre interfaces de PA66 e FM e não claro entre os dois metais.

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

Magnetismo de todas amostras encapsuladas em molde AAO foi medido. Moldes AAO têm certa quantidade de antiferromagnetismo e reduzem energia magnética das amostras ligeiramente. Figura 5a-f mostra laços de histerese de magnetização (M-H) de ambos nanotubos FM/PA66 e nanocabos Nd/FM/PA66. Pode-se ver que tanto nanotubos quanto nanocabos têm anisotropia magnética. É muito fácil entender que os dois sistemas têm mesmo diâmetro externo, que determina anisotropia magnética dos nanotubos e nanocabos. Magnetismo de nanocabos é mais forte que de nanotubos após deposição de Nd. Isso porque Nd, como metal de terra rara típico, possui grande acoplamento spin-orbital, quando nanopartículas de Nd difundem em FM na interface composta e trabalham junto com metais FM, o que leva a efeito sinérgico e aumenta anisotropia magnética de nanocabos Nd/FM/PA66. Segundo Fig. 5, parâmetros magnéticos dos três sistemas mostrados na Tabela 2. Pode-se ver claramente que parâmetros magnéticos dos nanocabos como coercividade e magnetização residual paralela ao eixo longo são maiores que os de direção vertical e nanotubos.

Conclusões

Arrays de nanocabos Nd/FM (FM=Fe, Ni, Co)/PA66 de três camadas foram preparados com sucesso, respectivamente. Nanocabos Nd/FM/PA66 mostram anisotropia magnética alta devido a características de metal de terra rara e seu efeito sinérgico com FM. Arrays de nanocabos não apenas fornecem nova nanoestrutura magnética mas também têm aplicação potencial em armazenamento magnético perpendicular e dispositivos eletrônicos.