CN102515086A - 具有形态相关磁性的Co纳米结构阵列材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Co纳米结构阵列材料合成方法，所合成的Co纳米结构阵列包括衬底、Co纳米孔、Co空心球、Co多孔膜等纳米结构阵列，纳米结构阵列材料为钴磁性材料。样品的磁性具有很强的形态相关性，本发明可合成多种不同材料的纳米结构阵列，可广泛应用于磁存储、纳米器件加工及多功能纳米器件制备。

Description

具有形态相关磁性的Co纳米结构阵列材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种纳米材料，具体涉及一种具有形态相关磁性的Co纳米结构阵列材料的制备方法。
背景技术
磁记录是当今应用最广泛的一种记录方式，高密度磁记录介质要求磁记录材料有高的矫顽力HC和矩形比MR/MS。磁记录介质属于永磁体材料，要具有很好的稳定性并能长期保存反复使用，就必须要具有足够高的矫顽力，以防止磁化后自退磁和外磁场的干扰，避免信息记录的消失，其次矩形比MR/MS要尽可能的高，可以提高高频记录的输出。Co具高饱和磁化强度、高矫顽力和高磁晶各向异性能等特点，被广泛的应用于磁记录，巨磁电阻和永磁体等材料，是目前应用最广泛的磁性材料之一。为了进一步提高磁记录密度，获得高密度磁存储材料，各种磁性纳米材料的制备及其磁性研究成为人们关注的焦点。
采用胶体晶体膜板，结合电化学沉积制备出各种钴纳米结构阵列，如空心球阵列、多孔膜阵列、网状阵列，其不同的结构阵列磁学性质具有很强的形态相关性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种磁性纳米结构阵列材料的制备方法，它可以合成出纳米孔、纳米空心球、纳米网状结构形貌。
为解决上述技术问题，本发明磁性双纳米结构阵列材料的技术解决方案为：
一种磁性纳米结构阵列材料，包括衬底、Co纳米结构阵列，Co纳米结构阵列设置于衬底上；
Co纳米结构阵列为纳米孔阵列或纳米空心球阵列或纳米网状结构阵列之一；
所述纳米结构阵列的直径为250～2000nm，厚度为20～2000nm；
所述纳米阵列呈六方排列。
所述衬底为ITO玻璃衬底或硅衬底。
本发明还提供一种磁性双纳米结构阵列材料的制备方法，其技术解决方案为，包括以下步骤：
第一步、对衬底进行清洗；
衬底的清洗步骤为：
A、将衬底置于丙酮中超声清洗40分钟，然后用蒸馏水清洗多次；
B、将衬底置于乙醇中超声清洗40分钟，然后用蒸馏水清洗多次；
C、将衬底置于蒸馏水中超声清洗30分钟后，置于蒸馏水中待用。衬底在蒸馏水中待用的时间不大于7天。
第二步、在衬底上合成Co纳米结构阵列；所述Co纳米结构阵列为纳米孔阵列或纳米空心球阵列或纳米网状结构阵列之一；
所述纳米孔阵列的制备方法为：
A1，所采用的胶体球为直径为100～2000nm的聚苯乙烯胶体球。采用气-液二界面法，自组装合成聚苯乙烯胶体球阵列，所述方法是：首先，取10μl聚苯乙烯胶体微球溶液，与无水乙醇按体积比1∶1混合；取一干净的培养皿，倒入去离子水，取一干净的玻璃片静置于培养皿去离子水上，使水面微高于玻璃边缘；然后，将混合好的聚苯乙烯胶体球溶液，用移液器滴到玻璃表面，混合液会在玻璃边缘与去离子水发生界面作用，在表面张力的作用下，将胶体球浮于液体表面，形成规则的纳米结构膜；随后，用所需衬底将其捞起，形成具有分离形式的聚苯乙烯胶体微球阵列；
A2、采用两电极法进行电化学沉积，石墨电极作为阳极，带有胶体晶体膜板的导电玻璃(ITO)作为阴极。沉积钴时，先将胶体晶体模板置于前驱体溶液中，使前驱体溶液渗入胶体球与衬底之间，前驱液为20g/l的CoSo4溶液，采用恒定电流模式进行电化学沉积，沉积电流密度为0.2mA/cm2。
所述Co纳米空心球阵列的制备方法为：
取聚苯乙烯胶体微球溶液与无水乙醇按照体积比1∶1混合，用氨水调节PH值为6.5-6.7之间；取一干净的培养皿，倒入去离子水，取一干净的玻璃片静置于培养皿去离子水上，使水面微高于玻璃边缘；然后，将混合好的聚苯乙烯胶体球溶液，用移液器滴到玻璃表面，混合液会在玻璃边缘与去离子水发生界面作用，在表面张力的作用下，将胶体球浮于液体表面，形成规则的纳米结构膜；随后，用所需衬底将其捞起，形成具有分离形式的聚苯乙烯胶体微球阵列；最后，将所得胶体微球阵列，进行电化学沉积，电化学沉积方法与步骤A2相同，即可得到Co纳米空心球阵列。
所述Co纳米网状结构阵列制备方法为；
单层胶体晶体模板制备方法与步骤A1相同，得到单层胶体晶体模板；然后在60摄氏度下，加热10分钟，让胶体模板与衬底充分接触；随后，再按照A1合成步骤，在溶液表面合成1μm的胶体晶体模板，用刚才所得模板去捞取，形成双层胶体晶体模板；进行电化学沉积，电化学沉积方法与步骤A2相同，可得Co纳米网状结构阵列。
本发明可以达到的技术效果是：
其一，本发明对制得的薄膜材料分别使用场发射扫描电子显微镜、X-射线衍射仪进行观察与测试后，从得到的扫描电镜照片测试结果可知，双阵列的形状纳米孔、纳米空心球、纳米网状等结构阵列。所得纳米结构的直径为250～2000nm，厚度为20～2000nm。纳米材料为磁性Co纳米阵列。
其二，本发明对Co纳米阵列的磁性进行了测量，测量结果显示，不同的纳米结构，其宏观磁性，如矫顽力和矩形比均不同；
其三，本发明的制备方法简单易行，每种结构阵列的结构参数如尺寸、厚度、周期和位置等，能够通过对每步合成工艺参数的调整来实现，易于控制。
本发明可合成多种材料的纳米结构阵列，可广泛应用于纳米器件加工及磁存储纳米器件制备。
附图说明
图1：由直径为1微米的胶体晶体膜板，不同沉积时间下对钴纳米结构阵列：(a)30分钟；(b)1小时；(c)2小时；(d)为(c)部分断开的地方。
图2由1000nm胶体晶体膜板电化学沉积制备的钴空心球阵列(a)；(b)部分裂开的空心球。
图3双层胶体晶体膜板电化学沉积制备的钴网状阵列。插图是样品的局部放大图
图4形态相关的钴规则纳米结构阵列的磁学性质：(a)外场垂直于样品膜面；(b)外场平行于样品膜面。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
本发明提供的磁性纳米结构阵列材料，包括衬底和Co纳米结构阵列；Co纳米结构阵列设置于衬底上；Co纳米结构阵列为纳米孔阵列或纳米空心球阵列或纳米网状结构阵列之一；衬底为ITO玻璃衬底或硅衬底。衬底的清洗方法依次包括以下步骤：
A、将衬底置于丙酮中超声清洗40分钟，然后用蒸馏水清洗多次；
B、将衬底置于乙醇中超声清洗40分钟，然后用蒸馏水清洗多次；
C、将衬底置于蒸馏水中超声清洗30分钟后，置于蒸馏水中待用。
实施例1：
在清洗后的衬底衬底上制备Co纳米多孔阵列：
取一宽为1cm长为3cm的导电玻璃(ITO)，依次在丙酮、无水乙醇、去离子水中，各超声清洗15分钟，放入去离子水中作为备用。首先，取10μl聚苯乙烯胶体微球溶液，与无水乙醇按体积比1∶1混合；取一干净的培养皿，倒入去离子水，取一干净的玻璃片静置于培养皿去离子水上，使水面微高于玻璃边缘；然后，将混合好的聚苯乙烯胶体球溶液，用移液器滴到玻璃表面，混合液会在玻璃边缘与去离子水发生界面作用，在表面张力的作用下，将胶体球浮于液体表面，形成规则的纳米结构膜；用上述备用导电玻璃捞起，合成浮于去离子水表面的1μm胶体球阵列薄膜，然后用滤纸除去多余水分后，放干燥箱60摄氏度下干燥10分钟。干燥后，将ITO玻璃放入前驱液(前驱液为20g/l的CoSo4溶液)中，以ITO玻璃为阴极，石墨电极为阳极，采用恒定电流模式进行电化学沉积，沉积电流密度为0.2mA/cm2。沉积时间为30分钟，1小时，3小时，分别得到如图1(a)、(b)、(c)样品结构形貌。
实施例2：
在清洗后的衬底衬底上制备Co纳米空心球阵列：
取1μm聚苯乙烯胶体微球溶液10μl与无水乙醇1∶1混合，用氨水调节PH值为6.5-6.7之间，然后取一干净的培养皿，倒入去离子水，取一干净的玻璃片静置于培养皿去离子水上，使水面微高于玻璃边缘；然后，将混合好的聚苯乙烯胶体球溶液，用移液器滴到玻璃表面，混合液会在玻璃边缘与去离子水发生界面作用，在表面张力的作用下，将胶体球浮于液体表面，形成规则的纳米结构膜，用清洗干净的ITO玻璃将其捞起，干燥箱60摄氏度下加热10分钟烘干后，放入前驱液(20g/l的CoSo4溶液)中，以ITO为阴极，石墨电极为阳极，进行电化学沉积，沉积电流密度0.2mA/cm2，沉积时间为1小时，可得样品形貌结构如图2所示，其磁性见图4，磁滞回线呈瘦腰型结构，矫顽力。
实施例3
在清洗后的衬底衬底上制备Co纳米网状结构阵列：
取一块导电硅片，进行清洗，清洗好后放入无水乙醇中备用。取10μl聚苯乙烯胶体微球溶液，与无水乙醇按体积比1∶1混合；取一干净的培养皿，倒入去离子水，取一干净的玻璃片静置于培养皿去离子水上，使水面微高于玻璃边缘；然后，将混合好的聚苯乙烯胶体球溶液，用移液器滴到玻璃表面，混合液会在玻璃边缘与去离子水发生界面作用，在表面张力的作用下，将胶体球浮于液体表面，形成规则的1μm胶体球阵列，用清洗好的硅片将其捞起，随后60摄氏度下烘干10分钟，得到单层胶体晶体模板。然后，重复上述形成胶体球阵列的步骤，重新形成规则的1μm胶体球阵列，用上述单层胶体晶体模板将重新形成规则的胶体球阵列捞起，让这一重新形成规则的1μm胶体球阵列，覆盖于第一次捞起的胶体球阵列之上，形成双层胶体球阵列。
再在60摄氏度下烘干10分钟，然后放入前驱液(20g/l的CoSo4溶液)中，以ITO为阴极，石墨电极为阳极，进行电化学沉积，沉积电流密度0.2mA/cm2，沉积时间为1小时，可得样品形貌结构如图3所示，其磁性见图4，矫顽力和矩形比是这三种形貌中最大的，表明其磁性与结构形貌之间存在巨大关联。
显然，本领域的技术人员可以对本发明的双纳米结构阵列的制备方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种Co纳米结构阵列材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步、对衬底进行清洗；所述衬底的清洗方法依次包括以下步骤：
A、将衬底置于丙酮中超声清洗40分钟，然后用蒸馏水清洗多次；
B、将衬底置于乙醇中超声清洗40分钟，然后用蒸馏水清洗多次；
C、将衬底置于蒸馏水中超声清洗30分钟后，置于蒸馏水中待用。衬底在蒸馏水中待用的时间不大于7天；
第二步、在衬底上合成Co纳米结构阵列；所述Co纳米结构阵列为纳米孔阵列或纳米空心球阵列或纳米网状结构阵列之一。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纳米孔阵列的制备方法为：
A1，所采用的胶体球为直径为100～2000nm的聚苯乙烯胶体球；采用气-液二界面法，自组装合成聚苯乙烯胶体球阵列，具体方法是：首先，取聚苯乙烯胶体微球溶液，与无水乙醇按体积比1∶1混合；取一干净的培养皿，倒入去离子水，取一干净的玻璃片静置于培养皿去离子水上，使水面微高于玻璃边缘；然后，将混合好的聚苯乙烯胶体球溶液，用移液器滴到玻璃表面，用所需衬底将其捞起，形成具有分离形式的聚苯乙烯胶体微球阵列；
A2、采用两电极法进行电化学沉积，石墨电极作为阳极，带有胶体晶体膜板的导电玻璃(ITO)作为阴极；沉积钴时，先将胶体晶体模板置于前驱体溶液中，使前驱体溶液渗入胶体球与衬底之间，采用恒定电流模式进行电化学沉积，沉积电流密度为0.2mA/cm2。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Co纳米空心球阵列的制备方法为：取1μm聚苯乙烯胶体微球溶液10μl与无水乙醇1∶1混合，用氨水调节PH值为6.5-6.7之间，然后取一干净的培养皿，倒入去离子水，取一干净的玻璃片静置于培养皿去离子水上，使水面微高于玻璃边缘；然后，将混合好的聚苯乙烯胶体球溶液，用移液器滴到玻璃表面，混合液会在玻璃边缘与去离子水发生界面作用，在表面张力的作用下，将胶体球浮于液体表面，形成规则的纳米结构膜，再用清洗干净的ITO玻璃将其捞起，干燥箱60摄氏度下加热10min烘干后，放入前驱体溶液中，以ITO为阴极，石墨电极为阳极，进行电化学沉积，沉积电流密度0.2mA/cm2。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Co纳米网状结构阵列的制备方法为：取聚苯乙烯胶体微球溶液，与无水乙醇按体积比1∶1混合；取一干净的培养皿，倒入去离子水，取一干净的玻璃片静置于培养皿去离子水上，使水面微高于玻璃片边缘；然后，将混合好的聚苯乙烯胶体球溶液，用移液器滴到玻璃片表面，混合液会在玻璃边缘与去离子水发生界面作用，在表面张力的作用下，将胶体球浮于液体表面，形成规则的1μm胶体球阵列，用清洗好的硅片将其捞起，随后60摄氏度下烘干10分钟，得到单层胶体晶体模板；然后，重复上述形成胶体球阵列的步骤，重新形成规则的1μm胶体球阵列，用上述单层胶体晶体模板将重新形成的胶体球阵列捞起，让这一重新形成的1μm胶体球阵列覆盖于第一次捞起的胶体球阵列之上，形成双层胶体球阵列；再在60摄氏度下烘干10分钟，然后放入前驱体溶液中，以ITO为阴极，石墨电极为阳极，进行电化学沉积，沉积电流密度0.2mA/cm2。
5.根据权利要求2至4任一所述的方法，其特征在于，所述前驱体溶液为20g/l的CoSo4溶液。
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