CN104030367B - 一种成分梯度的一维CoxFe3-xO4磁性纳米线的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种成分梯度的一维CoxFe3-xO4磁性纳米线的制备方法：FeCl3和CoCl2按物质的量之比为1.8：1混合均匀，作为反应前驱体放于瓷舟中，将瓷舟放入管式炉的加热区，基体放入管式炉的不加热区，所述基体为覆盖有SiO2膜的硅片；基体与反应前驱体的距离为7-10cm；调节管式炉加热区的温度达到700～900℃，并向管式炉内通入载气，保温2～3h，然后将管式炉冷却至室温，将基体取出，即制得成分梯度的一维CoxFe3-xO4纳米线，x=0.1-0.3。本发明把温度控制与基体和反应前驱体的距离相结合下，成功制备了大面积的具成分梯度变化的一维CoxFe3-xO4纳米线。
Description
技术领域
本发明涉及一种成分梯度的CoxFe3-xO4一维磁性纳米线及其制备方法，具体的说就是在化学气相沉积中，改变基体与管式炉的恒温区间的距离实现具有成分梯度的CoxFe3-xO4磁性纳米线生长过程中所需要的温度梯度。
背景技术
纳米线是指直径处于纳米尺度范围内（1-100nm）且具有很高的长径比的一维纳米结构材料。纳米线不仅具有纳米微粒的效应，如：量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等，又存在有纳米结构组合引起的新效应，如量子耦合和协同效应等，从而表现出独特的电子学、磁学、光学和催化性质。对于磁性纳米线，由于高长径比会导致其具有显著地磁各向异性，特别是当磁性物质进入纳米级（约5nm）时，多畴变成单畴，从而显现出极强的超顺磁性。如果将每条磁性纳米线作为一个信息存储单元，那么磁性纳米线的阵列的存储密度可超过15Gbit/cm2，远远高于目前广泛使用的计算机硬盘的存储密度（0.6Gbit/cm2）。因而磁性纳米线在高密度磁记录等相关领域具有巨大的潜在应用前景。
当前报道出的以合成的磁性纳米线中，无论是金属还是氧化物都是均质材料，即在长度方向上，成分均匀分布，这就使得单根磁性纳米线在单畴状态下一般仅能作为一个信息存储单元。如果磁性纳米线能够在长度方向上成分能够呈现连续变化，即合成具有一维成分梯度变化的磁性纳米线，将有可能使得一根纳米线上可以实现多个存储单元，从而实现梯度磁性纳米线阵列的垂直和平行双向存储，这将极大增加介质的存储密度。
发明内容
本发明的目的是通过制备具有成分梯度的一维CoxFe3-xO4磁性纳米线来提高磁记录材料单位面积上的存储密度。
为得到具有成分梯度的一维CoxFe3-xO4磁性纳米线，所采用的技术方案是：通过控制基体位置与管式炉的恒温区内反应源物质的距离来控制具有成分梯度CoxFe3-xO4磁性纳米线生长所需要的温度梯度。
一种成分梯度的一维CoxFe3-xO4磁性纳米线的制备方法，所述方法为：
FeCl3和CoCl2分别研磨成粉末，FeCl3和CoCl2按物质的量之比为1.8：1混合均匀，作为反应前驱体放于瓷舟中，然后将瓷舟放入管式炉的加热区，基体放入管式炉的不加热区，所述基体为SiO2/Si基体；所述SiO2/Si基体为覆盖有SiO2膜的硅片；所述基体与反应前驱体的距离为7-10cm；调节管式炉加热区的温度达到700～900℃（优选900℃），并向管式炉内通入载气，载气的方向由加热区入口吹向不加热区出口；所述载气是含有体积分数2～5%的氧气的氮气；载气流速为40～70mL/min（优选50mL/min），保温2～3h，然后将管式炉冷却至室温，将基体取出，基体表面有均匀的暗灰色薄膜，即制得成分梯度的一维CoxFe3-xO4纳米线，所述CoxFe3-xO4纳米线中，x=0.1-0.3。
在上述制备纳米线的过程中管式炉加热区的温度控制在700～900℃，并保证基体距离反应前驱体的距离在7-10cm，这样才能保证基体空间的温度梯度在550～700℃，进而在基体生长出具有成分梯度的一维CoxFe3-xO4纳米线且x=0.1-0.3。
本发明所述瓷舟为氧化铝瓷舟，是本领域中常用于管式炉加热的器皿。
所述方法中，所述基体与反应前驱体的连线与管式炉方向平行。
所述方法中，载气的方向由加热区入口吹向不加热区出口，是指载气由加热区入口，经过反应前驱体，吹向放置有基体的不加热区，由不加热区出口排出。
所述方法中，管式炉冷却时，载气持续通入。
本发明所述基体优选覆盖有SiO2膜的硅片，所述覆盖有SiO2膜的硅片一般按以下方法得到：将硅片分别依次用丙酮、乙醇和去离子水中超声处理5～15min，用高纯氮气吹干后，将干燥的硅片浸没于体积比为1：1：5的30wt%双氧水、37wt%盐酸和水的混合溶液中，70～80℃处理10～30min，然后取出用高纯氮气吹干，制得表面覆盖有40～100nm厚度SiO2膜的硅片。这是本领域技术人员公知的处理方法。
本发明方法采用的是化学气相沉积法，通过控制温度使得反应前驱体物质分解气化，在载气的作用下输运到具有温度梯度变化的基体体上生长纳米线，由于温度梯度的存在，使得在生长纳米线过程中基于温度的不同得到具有梯度成分的纳米线。一维纳米材料的制备除了需要合适的源材料，温度的控制也是关键所在。本发明把温度控制与基体和反应前驱体的距离相结合下，成功制备了大面积的具成分梯度变化的一维CoxFe3-xO4纳米线。
附图说明
图1为实施例1制得的纳米线的SEM图。
图2为图1中A位置的EDS图。
图3实施例2制得的纳米线的SEM图。
图4为图3中A位置的EDS图。
具体实施方式
下面以具体实施例来对本发明做进一步说明，但本发明的保护范围不限于此。
本发明实施例中的基体均按以下方法制得：
将P型（111）硅片（20×20×0.7mm）依次在丙酮、乙醇和去离子水中分别超声处理5min，并用高纯氮气吹干。紧接着将干燥的硅片放在体积比为1：1：5的30%H2O2、37%HCl和H2O混合溶液中，70℃处理10min，硅片表面形成一层50～100nm厚的SiO2膜，作为基体使用。
实施例1：
用纯度为99.99%的氯化铁（FeCl3）粉和氯化钴（CoCl2）粉，按物质的量比为1.8：1（氯化铁粉2.00g，氯化钴粉为0.89g）混合均匀，作为反应前驱体放于氧化铝瓷舟内，并将瓷舟放入程序控温的管式炉加热区内，将基体放入管式炉的不加热区、且距离反应前驱体下游10cm的位置处，基体与反应前驱体的连线与管式炉方向平行；通过程序调节管式炉加热区的温度达到900℃，并向管式炉内通入载气，载气的方向由加热区入口吹向不加热区出口；所述载气是含有体积分数2%的氧气的氮气；载气流速为50mL/min，反应前驱体物质分解气化，载气的作用下进入不加热区，在基体上生长纳米线，由于管式炉下游的不加热区存在一个温度梯度，基体上的不同位置与反应前驱体物质的距离不同，温度就不同，从而生长得到具有可控成分梯度的磁性纳米线。保持900℃恒温2h，之后自然冷却，载气持续通入。
当管式炉冷却至室温后，把基体从管式炉中取出来，基体表面有均匀的暗灰色薄膜。即为成分梯度的一维CoxFe3-xO4（x=0.1-0.28）纳米线。附图1为所得纳米线的SEM图，由SEM图可见产物为一维纳米线结构。图2为图1中A位置的EDS图，由A位置的EDS知x=0.21。对产品纳米线的其他位置同样做了EDS检测，检测结果表明x为不同值，最小为0.1，最大为0.28，即x在0.1-0.28范围内具有可变梯度。
实施例2：
用纯度为99.99%的氯化铁（FeCl3）粉和氯化钴（CoCl2）粉，按摩尔比为1.8：1（氯化铁粉2.00g，氯化钴粉为0.89g）混合均匀，作为反应前驱体放置于氧化铝瓷舟内，并将瓷舟放入程序控温的管式炉加热区内，将基体放入管式炉的不加热区、且距离反应前驱体下游7cm的位置处，基体与反应前驱体的连线与管式炉方向平行；通过程序调节管式炉加热区的温度达到900℃，并向管式炉内通入载气，载气的方向由加热区入口吹向不加热区出口；所述载气是含有体积分数2%的氧气的氮气；载气流速为50mL/min，反应前驱体物质分解气化，载气的作用下进入不加热区，在基体上生长纳米线，由于管式炉下游的不加热区存在一个温度梯度，基体上的不同位置与反应前驱体物质的距离不同，温度就不同，从而生长得到具有可控成分梯度的磁性纳米线。保持900℃恒温2h，之后自然冷却，载气持续通入。
当管式炉冷却至室温后，把基体从管式炉中取出来，基体表面有均匀的暗灰色薄膜。即为具有成分梯度的一维CoxFe3-xO4（x=0.15-0.3）纳米线。附图3为所得纳米线的SEM图，由SEM图可见产物为一维纳米线结构。图4为图3中A位置的EDS图，由A位置的EDS知x=0.26。对产品纳米线的其他位置同样做了EDS检测，检测结果表明x为不同值，最小为0.15，最大为0.3，即x在0.15-0.3范围内具有可变梯度。
Claims (6)
1.一种成分梯度的一维CoxFe3-xO4磁性纳米线的制备方法，其特征在于所述方法为：
FeCl3和CoCl2分别研磨成粉末，FeCl3和CoCl2按物质的量之比为1.8：1混合均匀，作为反应前驱体放于瓷舟中，然后将瓷舟放入管式炉的加热区，基体放入管式炉的不加热区，所述基体为SiO2/Si基体；所述SiO2/Si基体为覆盖有SiO2膜的硅片；所述基体与反应前驱体的距离为7-10cm；调节管式炉加热区的温度达到700～900℃，并向管式炉内通入载气，载气的方向由加热区入口吹向不加热区出口；所述载气的方向由加热区入口吹向不加热区出口，是指载气由加热区入口，经过反应前驱体，吹向放置有基体的不加热区，由不加热区出口排出；所述载气是含有体积分数2～5％的氧气的氮气；载气流速为40～70mL/min，保温2～3h，然后将管式炉冷却至室温，将基体取出，基体表面有均匀的暗灰色薄膜，即制得成分梯度的一维CoxFe3-xO4纳米线，所述CoxFe3-xO4纳米线中，x＝0.1-0.3。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述管式炉冷却时，载气持续通入。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述基体与反应前驱体的连线与管式炉方向平行。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述基体为覆盖有SiO2膜的硅片，所述覆盖有SiO2膜的硅片按以下方法得到：将硅片分别依次用丙酮、乙醇和去离子水中超声处理10～15min，用高纯氮气吹干后，将干燥的硅片浸没于体积比为1：1：5的30wt％双氧水、37wt％盐酸和水的混合溶液中，70～80℃处理20～30min，然后取出用高纯氮气吹干，制得表面覆盖有40～100nm厚度SiO2膜的硅片。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述管式炉加热区的温度为900℃。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述载气流速为50mL/min。
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