钴纳米锥阵列的制备、结构设计和微波磁性研究

铁磁金属纳米复合材料是微波吸收研究的热点方向。较高的饱和磁化强度和热稳定性是铁磁金属作为微波吸收剂的优势所在，但铁磁金属的电阻率低不利于阻抗匹配。为此，当采用铁磁金属作为吸收剂时，即要考虑其尺寸、形貌、取向等的影响也要兼顾材料的整体结构设计。本项目拟开展对钴纳米锥阵列的制备、结构设计和微波磁性的研究。在完善水热反应制备钴纳米锥粉体的基础上，将物理镀膜技术与晶体生长的化学控制技术相结合，研究钴纳米锥阵列的可控性生长以及微观结构的设计，使钴纳米锥阵列的尺寸、长径比、分布密度和空间取向均可由实验调控。依据钴纳米锥具有的小尺寸效应和形状各向异性，考察复合材料的矫顽力、剩磁比、复合磁导率，自然共振频率与材料形貌、分布密度和空间取向的关系。通过复合材料的结构设计使材料具有更好的电磁波阻抗匹配，期望其在较宽的频带内实现对微波的有效吸收。

本项目主要研究了磁性金属纳米微粒的形状控制和微波磁性，系统研究了钴镍纳米晶须、钴亚微米线、镍纳米片和镍纳米锥的静态磁性和复数磁导率与材料成分、形貌、尺寸等的关系。实验上没有获得钴纳米锥阵列，因此我们调整了研究方案将研究重点放在了铁磁金属纳米粉体上。. 主要研究成果包括：钴镍纳米晶须和钴亚微米线的静态磁性和微波磁导率的对比研究，发现形状各向异性影响磁性颗粒的有效各向异性场进而对自然共振频率有调制作用。钴镍纳米晶须的矫顽力高达1820 Oe，剩磁比达53%，自然共振频率达13.2 GHz，以上数值均远高于钴亚微米线。颗粒尺寸决定了材料的涡流损耗大小，研究发现钴镍纳米晶须的复数磁导率由自然共振和涡流损耗共同决定，而钴亚微米线的复数磁导率则主要取决于涡流损耗。其次，我们研究了磁性纳米颗粒在复合材料中的体积浓度对复数磁导率的影响。以镍纳米片和石蜡构成的复合体系为例，研究发现磁性材料的体积浓度影响自然共振峰的位置，随着镍纳米片体积浓度的降低，颗粒间的偶极相互作用减小，导致有效各向异性场和自然共振频率升高。另外，镍纳米片的磁谱包含三个共振峰，第一个共振峰归因于自然共振，后两个共振峰可归因于非一致交换共振。随着镍纳米片体积浓度的降低，三个共振峰的位置更容易分辨。我们还对比了Bruggeman有效介质理论和修正后的有效介质理论用于复合材料的有效磁导率的计算，发现考虑形状各向异性的修正公式能更好的描述复合材料的磁导率。最后，我们研究了镍纳米锥和纳米球的静态磁性和磁谱，发现镍纳米锥因具有较强的形状各向异性，使其具有较高的矫顽力和自然共振频率。采用LLG方程拟合磁谱发现，对于具有形状各向异性且随机取向的镍纳米锥颗粒，修正后的LLG方程计算得到的磁谱与实验结果吻合得更好。总之，通过对本项目的研究，我们明确了磁性金属纳米颗粒的微波磁导率与其尺寸和形貌的关系，为其在高频下的应用提供了理论指导。