Preparación y propiedades magnéticas de Nd / FM (FM =Fe, Co, Ni) / PA66 Nanocables coaxiales de tres capas

Resumen

En este trabajo se ha desarrollado un nuevo método de preparación de nanocables coaxiales de tres capas. Nd / FM (FM =Fe, Co, Ni) / PA66 nanocables coaxiales de tres capas se ensamblaron con éxito desde el exterior al interior capa por capa. Los nanotubos PA66 que sirvieron como capa exterior se prepararon humedeciendo una solución de polímero con una plantilla de AAO. Los metales ferromagnéticos y el Nd se depositaron en nanotubos PA66 preparados previamente para servir como capa intermedia y núcleo interno, respectivamente. Los resultados muestran que la estructura tiene efectos sobre las propiedades magnéticas, y la preparación del nanocable permite sintonizar cada capa, longitud y grosor de los nanocables.

Antecedentes

El nanocable coaxial es un tipo especial de nanoestructura 1D en un sistema compuesto, que ha atraído mucho interés por su estructura y propiedades únicas. Por lo tanto, los nanocables tienen aplicaciones potenciales en los campos de catalizador, almacenamiento de energía, material fotoeléctrico, nanobiotecnología, protección ambiental, sensor magnético y medios de grabación magnéticos [1,2,3,4,5,6,7,8,9, 10,11]. El desarrollo de los medios de grabación magnéticos está limitado por el límite de grabación superparamagnético [12] y plano. El registro perpendicular implica el registro de datos en columnas verticales tridimensionales en lugar de en dos dimensiones. Para superar estas limitaciones, se puede innovar y mejorar la estructura de los nanomateriales o la anisotropía efectiva del material. Se sugieren cilindros ferromagnéticos como medio para lograr este objetivo.

Los cilindros ferromagnéticos incluyen nanocables magnéticos multicapa, nanocables y nanotubos y nanocables ferromagnéticos. En comparación con los nanotubos y nanocables ferromagnéticos, los nanocables y nanocables magnéticos multicapa tienen propiedades magnéticas mejoradas [13,14,15,16] y campos de aplicación extendidos. Entre los diversos métodos de preparación, el método basado en plantillas es uno de los métodos de preparación más habituales. El tamaño, la forma y las propiedades estructurales de los nanocilindros electrodepositados están controlados por la plantilla y los parámetros de electrodeposición. Bien conocido por todos, los materiales de imán permanente consisten en materiales ferromagnéticos y un metal de tierras raras. Inspirándose en estos, los nanocables ferromagnéticos dopados con un elemento de tierras raras preparado pueden cambiar las propiedades magnéticas de los compuestos [17]. Hasta donde sabemos, rara vez se ha informado de nanocables magnéticos dopados con Nd. Hemos preparado una serie de matrices de nanocables multicapa dopadas con tierras raras e investigado sus propiedades magnéticas [18].

A continuación, se presenta una breve descripción general del método de preparación de nanocables de última generación sin utilizar ningún agente modificador. Empleamos la plantilla de óxido de aluminio anodizado (AAO), que tiene canales regulares y una amplia gama de tamaños y es adecuada para nanotubos y nanocables y nanocables, para preparar Nd / FM (FM =Fe, Co, Ni) / PA66 de triple capa. nanocables coaxiales capa por capa. La capa más externa de nanotubos PA66 se fabricó humedeciendo la solución de plantilla AAO. La capa exterior que consta de un nanotubo de polímero puede evitar que el núcleo metálico interior se oxide y erosione y conserva la excelente conductividad y magnetismo. Los nanotubos ferromagnéticos de capa media y los nanocables internos de Nd se electrodepositaron y, a su vez, la electrodeposición puede controlar eficazmente la estructura geométrica. Se estudiaron las propiedades magnéticas de los nanocables coaxiales.

Métodos

Preparación de nanotubos PA66 y electrodo de trabajo

Los nanotubos de poliamida 66 (PA66) se pueden obtener humedeciendo las plantillas de AAO (el diámetro es de aproximadamente 200 nm y el grosor es de aproximadamente 60 μm) con una solución de ácido fórmico de PA66 al 2-6% en peso. Se colocó una gota de solución de PA66 en un portaobjetos de vidrio y, a continuación, se cubrió un trozo de plantilla de AAO sobre la solución de PA66. Los nanotubos de PA66 se obtuvieron después de 40 s. Se trató una capa de película de PA66 con ácido fórmico para abrir los nanotubos de PA66. Y luego se pulverizó una fina película de Au en un lado de la membrana compuesta PA66 / AAO para que sirviera como electrodo de trabajo.

Preparación de nanotubos coaxiales FM (FM =Fe, Co, Ni) / PA66

Se prepararon soluciones de electrolitos de Ni ²⁺ 0,7 M , 0,8 M Co ²⁺ y 0,8 M Fe ²⁺ solución acuosa por separado. - 1.0 V / SCE para Ni ²⁺ , - 1,2 V / SCE para Co ²⁺ y - 1,2 V / SCE para Fe ²⁺ se emplearon para preparar nanotubos de Ni, Co y Fe, respectivamente, en nanotubos PA66 durante 15 min para obtener los nanotubos dobles FM / PA66.

Preparación de nanocables coaxiales Nd / FM / PA66

1,0 M Nd ³⁺ Se preparó una solución de electrolito y, a continuación, se introdujo una corriente continua de 2,5 V para preparar nanocables de Nd en los nanotubos coaxiales FM / PA66 durante 60 min para formar nanocables coaxiales Nd / FM / PA66

En el experimento de electrodeposición anterior, se utilizó una película de platino como contraelectrodo y un electrodo de Ag / AgCl en solución saturada de KCl como electrodo de referencia. La Figura 1 muestra el diagrama esquemático de la preparación de nanocables de tres capas, de la siguiente manera:

Caracterización

Se utilizaron microscopía electrónica de barrido (SEM; JEOL JSM-6390LV) y microscopía electrónica de transmisión (TEM; CM200-FEG equipado con un GIF) para caracterizar las nanoestructuras. Para la medición de TEM, se colocó una gota de (5 μL) de muestra diluida en una rejilla de cobre y se evaporó antes de la observación. El análisis de elementos se identificó mediante difracción de rayos X (XRD; Bruker D8 Advance con una radiación Cu-Kα, λ =1,5418 Å). Las mediciones de magnetización de los nanotubos dobles FM y los nanocables Nd / FM / PA66 se llevaron a cabo a temperatura ambiente en un magnetómetro de muestra vibrante (VSM; Lakeshore 7307).

Resultados y discusión

Hicimos una serie de experimentos de condición para asegurar mejores condiciones que hacen que los nanotubos PA66 y los nanotubos FM crezcan en la misma longitud. La nanoestructura de los nanotubos FM / PA66 se muestra en la Fig. 2. Como se ve en las imágenes SEM que se muestran en la Fig. 2a, c, e, los nanotubos FM y los nanotubos PA66 tienen casi la misma longitud, y las bocas de los nanotubos son casi abierto. Después de eliminar la plantilla AAO, los nanotubos FM / PA66 formaron matrices regulares. Las imágenes TEM prueban aún más la nanoestructura de los nanotubos de doble capa. Como se ve en la Fig. 2b, d, f, las paredes de los nanotubos PA66 como una vaina son continuas. Y las nanopartículas de FM distribuidas uniformemente en la pared interior de los nanotubos PA66. Como se describe en nuestro estudio anterior [19], el diámetro de las nanopartículas es de aproximadamente 5 nm, y cada nanopartícula se considera un dominio magnético. Una cierta cantidad de nanopartículas de FM se unieron para formar nanotubos de FM. Por lo tanto, los nanotubos PA66 y los nanotubos FM formaron nanotubos coaxiales de doble capa.

Los metales de tierras raras son uno de los elementos de los imanes permanentes. Inspirado por esto, Nd se electrodepositó en los nanotubos de doble capa anteriores para hacer nanocables coaxiales de tres capas. La morfología de la nanoestructura Nd / FM / PA66 se muestra en la Fig. 3. Las imágenes SEM muestran que las nanoestructuras son multicapa y tienen casi la misma longitud (los parámetros de tamaño de las nanoestructuras que se muestran en la Tabla 1). El contraste entre las interfaces de polímero y metal se muestra claramente en las imágenes TEM. Por lo tanto, la imagen TEM del nanocable Nd / Ni / PA66 en la Fig. 3b muestra que el contraste es claro entre la capa externa y la capa interna. La capa más externa es un nanotubo PA66 con una pared uniforme y continua, y la capa interna está compuesta de Nd y Ni. Se muestra que la capa interior es compacta. No se puede reconocer el contraste entre Nd y Ni porque todos son metales. Como se ve en la Fig. 3d, f, es obvio que la nanoestructura es una estructura de núcleo / capa. Asimismo, está claro el contraste entre las interfaces de PA66 y FM y no está claro entre los dos metales.

El patrón de difracción de rayos X de la muestra se muestra en la Fig. 4. Los distintos picos de difracción observados a 2 θ de 44,32 ° y 75,72 ° son consistentes con el pico de difracción de (111) y (220) planos cristalinos de Co, y los picos de difracción de Fe (101) y Fe (105) corresponden con 2 θ =44,32 ° y 77,56 °, y los picos de difracción de Ni (011) y Ni (103) corresponden con 2 θ =44,32 ° y 77,56 °, respectivamente. 2 θ =77,56 ° es también un pico de difracción típico de Nd (206). Picos de difracción (2 θ de 37,78 °, 64,48 °, 77,56 ° y 81,77 °) de Au que fueron introducidos por la película de Au pulverizada utilizada para la electrodeposición son completos, porque el valor de Au es grande, por lo que algunos de los picos de Au se superponen a los de Fe y Co y Ni.

Se midió el magnetismo de todas las muestras encapsuladas en la plantilla de AAO. Las plantillas de AAO tienen una cierta cantidad de antimagnetismo y una energía magnética reducida de las muestras ligeramente. La Figura 5a-f muestra los bucles de histéresis de magnetización (M-H) de nanotubos FM / PA66 y nanocables Nd / FM / PA66. Se puede ver que tanto los nanotubos como los nanocables tienen anisotropía magnética. Es muy fácil entender que los dos sistemas tienen el mismo diámetro exterior, lo que determina la anisotropía magnética de los nanotubos y nanocables. El magnetismo de los nanocables es más fuerte que el de los nanotubos después del Nd depositado. Esto se debe a que el Nd, como un metal de tierras raras típico, posee un gran acoplamiento espín-orbital, cuando las nanopartículas de Nd se difundieron en FM en una interfaz compuesta y trabajaron junto con metales FM, lo que produce un efecto sinérgico y mejora la anisotropía magnética de Nd / FM. / Nanocables PA66 [20]. Según la Fig.5, los parámetros magnéticos de los tres sistemas se muestran en la Tabla 2. Se puede observar claramente que los parámetros magnéticos de los nanocables como la coercitividad y la magnetización residual paralela al eje largo son mayores que los de dirección vertical y nanotubos.

Conclusiones

Las matrices de nanocables de tres capas Nd / FM (FM =Fe, Ni, Co) / PA66 se han preparado con éxito, respectivamente. Los nanocables Nd / FM / PA66 muestran una anisotropía altamente magnética debido a las características del metal de tierras raras y su efecto sinérgico con FM. Las matrices de nanocables no solo proporcionan una nueva nanoestructura magnética, sino que también tienen una aplicación potencial en dispositivos electrónicos y de almacenamiento magnético perpendicular.

Abreviaturas

AAO:: Óxido de aluminio anódico
FM:: Fe, Co, Ni
M-H:: Bucles de histéresis de magnetización
PA66:: Poliamida 66
SEM:: Microscopio electrónico de barrido
TEM:: Microscopio electrónico de transmisión
XRD:: Difracción de rayos X

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