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溶胶-凝胶法制备CoFe2O4/TiO2纳米复合薄膜及其磁性能研究

2024-10-18 来源:威能网
维普资讯 http://www.cqvip.com 第9卷第3期 2008年6月 空军工程大学学报(自然科学版) V01.9 No.3 JOURNAL OF AIR FORCE ENGINEERING UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION) Jun.2cIo8 溶胶一凝胶法制备CoFe2 O4/TiO2纳米复合 薄膜及其磁性能研究 田晓霞, 裴志斌, 屈绍波, 王斌科 (空军工程大学理学院,陕西西安710051) 摘要:以钛酸丁酯和金属盐酸盐为原料,采用溶胶一凝胶工艺成功制备了磁性CoFe O /TiO 复合薄膜。通过 射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱(Raman)、扫描电镜(SEM)分析探讨了复合薄 膜相结构和表面形貌,使用振动样品磁场计(VSM)测试样品磁性能。研究发现:复合薄膜中两 相组分晶体各自析出长大,没有生成新的物相,薄膜生长过程中TiO 网状结构起到控制 CoFe O 的晶粒大小的作用。对比不同温度下薄膜的形貌,得出薄膜的形貌对热处理温度依赖 性较大,前驱液为pH=2—3、热处理温度为800℃时,可得到平整的纳米CoFe O /TiO 磁性复 合薄膜。随着热处理温度的升高,复合薄膜的磁性增强。 关键词:CoFe2O /TiO2;纳米复合薄膜;磁性;溶胶一凝胶 中图分类号:0484.4 文献标识码:A 文章编号:1009—3516(2008)03—0087—04 钴铁氧体是有尖晶石结构的亚铁磁性氧化物,具有高的饱和磁化强度、高的磁晶各向异性和大的磁光偏 转角以及极好的互相稳定性和耐磨性,它作为高密度磁光记录薄膜材料备受人们的关注 -6J 。晶粒的细化 可以使磁性CoFe O 薄膜具有更好的磁光性能,细化晶粒通常采用非磁性的介质来控制磁性粒子的大 小 ,非磁性的二氧化钛薄膜具有多孔结构_9],与磁性材料复合,不仅能控制磁性粒子的大小、减少 CoFe:O 团聚的几率,而且能有效降低磁性材料的涡流损耗,是多种纳米材料的优良载体 。。。曾有使用 SiO 做基体来控制钴铁氧体薄膜晶粒大小的报道[7J卜”],但以TiO 为载体制备CoFe O 薄膜还未曾出现报 道,本实验通过溶胶一凝胶法制备了CoFe O /TiO 纳米复合薄膜,并通过拉曼光谱以及 射线衍射、扫描电 镜等分析探讨了该复合薄膜的合成机理和形貌,并探讨了溶胶凝胶工艺中各种工艺参数对复合体中 CoFe O 颗粒大小及磁性大小的影响。 1 实验 1.1试剂 主要包括钛酸丁酯([CH,(CH ),O] Ti)、无水乙醇(EtOH)、盐酸(HC1)、氯化钴(CoC1 ・6H O)及氯化 铁(FeC1,・9H O),以上试剂皆为分析纯。 1.2复合溶胶的制备 钛酸丁酯6.8 mL溶于无水乙醇中制得溶液A;按rt[c: ]/[Fe ]=1/2将CoC1 ・6H:O,FeC13・9H o 溶于蒸馏水中,磁力搅拌,得到总离子浓度为0.12 mol/L的棕褐色透亮溶液B;将溶液B缓慢滴加到溶液A 中,再滴加适量HC1调节混合液的pH值,室温下陈化3—4天,得到稳定的CoFe O /TiO 溶胶,部分溶胶置 于烘箱,在110 ̄C下干燥48 h得到干凝胶样品。 收稿日期:2007—09—04 基金项目:陕西省自然科学基金资助项目(2006E.35) 作者简介:田晓霞(1971一),女,陕西扶风人,讲师,博士生,主要从事复合材料研究;E—mail:xiaoxiadan@126.corn 裴志斌(1959一),男,河南武陟人,教授,主要从事电子材料及器件研究; 屈绍波(1965一),男,安徽毫县人,教授,博士生导师,主要从事左手材料及超材料研究. 维普资讯 http://www.cqvip.com 88 空军工程大学学报(自然科学版) 2008正 1.3复合薄膜的制备方法 采用多次旋涂法:将稳定的溶胶以4 000 r/min的转速旋涂到si(100)衬底上,每旋涂一层,放置烘板上 烘2 min一3 min,然后在200℃和300 ̄C下依次烧结5 min,重复上面的步骤多次旋涂,直至需要的厚度,最后 在所需温度下集中退火30 min。 1.4样品测试 。 采用Rigaku D/max 2500V PCX型x射线衍射仪(XRD)分析不同热处理温度样品的相结构;用美国 Nicolet公司ALMEGA—D型激光拉曼系统测试样品的Raman谱;用日本JSM一6360型扫描电镜观察薄膜表 面的形貌;使用振动样品磁场计测试样品磁性能。 2结果与讨论 图1分别是400 ̄C、600 ̄C、700 ̄C、800 ̄C热处理的样品x射线衍射(XRD)图谱,从图1可看出复合薄膜 400 ̄C的XRD图谱在衍射角为25.1。和48.O。时,有一个宽化的弥散型衍射峰,属于无定型材料衍射,表明材 料以非晶形式存在¨引。当温度达到600 ̄C以上,XRD图谱中出现了两个明显的TiO 和CoFe O 典型的衍射 峰,各自与标准卡片相吻合,除此之外没有出现其它晶相的衍射峰,由此得出复合薄膜中Ti鲫柏 0 O O O O O O O O ∞∞∞加 O 和CoFe O 各 自生长,没有发生反应生成新的物相。700 ̄C、800 ̄C热处理的样品XRD谱与600 ̄C的XRD谱峰型相似,峰值 增高,800 ̄C样品的XRD图谱中TiO 和CoFe O 特征峰,峰型变得尖锐。以上分析说明复合薄膜中,600 ̄C 热处理的样品中尖晶石结构的CoFe O 已经形成,随热处理温度的升高,晶粒逐渐长大,800%结晶趋于完 整。热处理过程中CoFe O 嵌埋在TiO:网络基体中,减少了发生团聚的几率。根据XRD谱,样品的晶粒尺 寸用Schereer公式计算得出晶粒的平均尺寸,在pH值为2—3,800 ̄C热处理后得到的复合薄膜中磁性粒子 CoFe2 O4平均粒径为19 nm。 l l i n:-一780@ l : j0= I 1 .. 溢 . 曛 .b.儿 i.I JL LIk. h.~ .。.儿 i .^.Jl k_. 。 20 30 40 50 60 70 80 20 ) 图1 不同温度热处理后复合薄膜的XRD图 Fig.1 XRD patterns of the composite films at diferent heat treatment temperatures CoFe2O 和 一Fe2O 均为尖晶石结构,当晶粒细 2000 化而造成衍射峰宽化时,二者仅凭XRD分析无法有效 鉴别 J,为了确定样品中生成的磁性颗粒为CoFe O , 用拉曼光谱对样品做进一步的分析。图2是600 ̄C、 翥1000 700 ̄C热处理后样品的拉曼光谱图。对比两条图谱可 爱… 知,随热处理温度升高,峰的强度增大。图谱中在149 cm~、394 am~、509 am~、633 am 左右出现了TiO2 0 维普资讯 http://www.cqvip.com

第3期 田晓霞等:溶胶一凝胶法制备CoFe 0 /TiO 纳米复合薄膜及其磁性能研究 89 理的样品,宏观上晶粒分布均匀、结构致密平整。由于TiO 基体的存在控制了CoFe O 晶粒的大小,对比不 同条件下得到的样品形貌可知,薄膜的生长对反应的热处理温度依赖性较大。 一一一一 (a) (b) (c) (d) 图3不同温度热处理的样品表面形貌SEM图 Fig.3 SEM micrographs of the composite films at diferent heat treatment temperatures ∞舳砷∞加O加∞印舳 图4是CoFe O /TiO:复合薄膜的磁滞回线。6o0℃、7o0℃、8o0℃热处理的样品,其最大磁化强度分别 为50.0 emu/cm 、82.6 emu/cm 、150.0 emu/cm ,比较不同温度热处理后的薄膜的磁滞回线可以看出,在1T 的磁场下,薄膜的最大磁化强度随热处理温度升高而升高,说明随着热处理温度的升高,复合薄膜中磁性粒 子的尺寸逐渐增长 川,薄膜的磁性增强。CoFe O 具有反尖晶石结构,块体钴铁氧体是传统的硬磁材 料 7 J,CoFe O /TiO 复合薄膜与其比较磁性减弱,这一方面是TiO 的存在对CoFe O 有稀释作用;另一方面 钴铁氧体中Co¨随热处理温度不同,既可以位于四面体位置(A位),也可以位于八面体位置(B位),净磁矩 M与Co¨离子占据四面体位置的含量密切相关,Co“离子占据四面体的数量越多,则磁化强度越大¨¨。因 此可以认为,CoFe O /TiO 复合薄膜的磁性和最大磁化强度随热处理温度的变化主要是由于co 离子分布 图4经过不同温度处理后的复合薄膜磁滞回线 Fig.4 Magnetic hysteresis loops of the composite films obtained after heat treatment at cliferent temperature 3结论 1)以钛酸丁酯和三氯化铁、氯化钴制备了前驱体,通过溶胶凝胶工艺可制得磁性CoFe 0 /TiO 纳米复 合薄膜; 2)热处理温度较低,材料以非晶态存在,当热处理温度达到600 ̄C时,TiO 基体中已经有CoFe O 晶体 形成,随热处理温度升高,晶粒逐渐长大。8o0℃可得到表面平整,CoFe O 晶粒平均粒径约为19 nm的纳米 复合薄膜; 3)随着热处理温度的升高,复合薄膜最大磁化强度增大,磁性增强。 参考文献: [1] Gall Le H,Sbiaa R,Pogossian S.Present and Future of Magnetoptical Recording Materials And Technology[J].Alloys Compd,1998,275:677—684. [2] Bursik J,Simsa Z,Stichauer L,et a1.Magneto—optical Properties of Co—and Ti—substituted Hexagonal Ferrite Films Pre. pared By the Sol—gel Method[J].Magn Magn Mater,1996,157:311~312. [3]Laurence B,Philippe T,Abel R,et a1.Relations Between Magneto—optical Properties and Reactivity in Cobalt—manganese Ferrite Thin Films and Powders[J].Magn Magn Mater,1996,153:389—396. 维普资讯 http://www.cqvip.com 空军工程大学学报(自然科学版) 2008拒 [4]干福熹.信息材料[M].天津:天津大学出版社,2000. GAN Fuxi,Information Materials[M].Tianjin:Tianjin University Press。2000.(in Chinese) [5]Ponce Castaneda S,Martinez J R,Ruh F.Synthesis of Fe2 O3 Species Embedded in A Silica Xerogel Matrix:A Comparative Study[J].Sol—gel Sci Teehol,2002,25:29—36. [6] Chinnasamy C N,Jeyadevan B,Shinoda K,et a1.Unusually High Coereivity and Citieal Single—domain Size of Nearly Mono— dispersed CoF%04 Nanopartieles[J].Appl Phys Lett,2003,83:2862—2864. [7]邓联文,江建军.FeCoB—SiO 磁性纳米颗粒膜的微波电磁特性[J].物理学报,2004,53(12):4359-4363. DENG Linawen,JIANG Jianjun.Microwave Electromagnetic Characteristics of FeCoB—SiO2 Nano—granulra Magneitc Films [J].J Aeta Phys Sin,2004,53(12):4359—4363.(in Chinese). [8]黄祥卉,陈振华.纳米CoFe2O /SiO2磁性复合体的制备与表征[J].科学通报,2006,6,(51):660—664. HUANG Xinaghui。CHEN Zhenhua.Preparation and Characterization of CoFe204/SiOz Nanoeomposites[J].J Chin Sei Bull, 2006,20(51):660—664.(in Chinese) [9]Dinaa Mardam,Alexandru Stnaeu. On the Optical Constnats of TiO2 n Films,Ellipsometrie Studies[J]. Materilas Research Bulletin,2000,35:2017—2025. [10]陈祖熊,王坚.精细陶瓷——理论与实践[M].北京:化学工业出版社,2005. CHEN Zuxiong,WANG Jian.Fine Ceramic—heoreties and Practice[M].Beijing:Chemistry Industry Press,2005.(in Chi- nese) [11]汪金芝,方庆清.纳米ZnO.6CoxFe2 一xO 晶粒的结构相变与磁性研究[J],物理学报,2004,53(9):3186—3190. WANG Jinzhi,FANG Qingqing.Structure Phase Transition nad Magnetic rPoperties of Nanoerystlaline ZnO.6CoxFe2.4一xO4 [J].J Chin Phys Soc,2004,53(9):3186—3190.(in Chinese) [12]Ponce Castnaeda S,Martinez J R,Ruiz F.Synthesis of Fe2 O3 Species Embedded in A Sihea Xerogel Matrix:A Comparative Study[J].Sol—gel Sci Teehol,2002,25:29—36. [13]王保国,王素梅,张金利,等.纳米晶TiO 半导体薄膜的制备和性能[J].化学工业与工程,2005,22(1):1—4. WANG Baoguo。WANG Sumei,ZHANG Jinli,et a1.Preparation and Characterization of Nano—crystalline TiO2 Sensing Film [J].J Chemical Lndustyr nad Engineering,2005,22(1):1—4.(in Chinese) (编辑:田新华,徐楠楠) Preparation of CoFe2 O4/TiO2 Nano—composites Thin films by Sol——Gel Method and Study of Magnetic Properties TIAN Xiao—xia,PEI Zhi—bin,QU Shao—bo,WANG Bin—ke (Science Institute,Air Force Engineering University,Xi an 710051,China) Abstract:CoFe2 O4/TiO2 nano—composite iflms were prepared using the sol—gel method wiht tetrabutyltitanate and metallic chlorates as starting materials.The phase structure and microstructure properties of the samples were stud— ied by X—ray difractometer,Raman spectrum,scanning electron microscopy.The magnetic properties of the com— posite films were characterized by vibrating sample magnetometry.The results show that crystals of different sub— stances grow up independently without producing new phases,and the growth of composite films is dependent on the heat treatment temperature.The grain size of Cobalt ferrite is controlled by the titanium dioxide matrix in the pre— pared composite films,the average size of CoFe2 O4/TiO2 is 19nm in nano—composite film prepared at 800 ̄C and pH=2—3 of hte precursor.The magnetism of the composite films is enhanced wiht an increase of the heat treat— ment temperature. Key words:CoFe2 O4/TiO2;nano—composite fimls;magnetism;sol—gel 

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