宏观尺度纳米颗粒组装膜的可控制备及磁性能研究

Assembly of nanomaterials has important academic research value and potential application in materials, physics, chemistry, biology and a variety of interdisciplinary field. All previous works of the nanostructures assembly is obtained in liquid phase. The nanoparticles are assembled under various microscopic forces. In this project, we will explore a new method——Matrix-Assisted Pulsed Laser Evaporation MAPLE. Through this method, large-size, thick-controlled monolayer and multilayer assembled granular films were prepared. In this project, a multilayer film of hard and soft magnetic nanoparticle with shape anisotropy and/or magnetocrystalline anisotropy assembly multilayer film will be prepared by this method. By this method, a multilayer assembled particle film in which an insulating layer is added between layers and layers will be prepared. The effects of hard and soft magnetic particle size, morphology and microstructure on the magnetic properties will be studied. The optimal microstructure of nanocomposite permanent magnet materials with maximum magnetic energy product will be discussed.

纳米材料的组装调控在材料学，物理，化学，生物学等众多学科领域及多种交叉学科领域都有着重要的学术研究和实际应用价值。通过本项目的资助，我们将开展一种新的方法——基质辅助脉冲激光沉积技术制备纳米颗粒组装膜的探索。借助这种方法制备宏观大范围，厚度可控的单层、多层软硬磁纳米颗粒组装膜，并实现软硬磁颗粒组装膜层与层之间不同材料、不同厚度隔离层的添加。系统研究硬磁纳米颗粒的尺寸、磁晶各向异性、形状各向异性、畴结构；软磁纳米颗粒的种类，尺寸、形貌；两相界面的种类、结构、厚度等因素对两相间交换耦合和矫顽力机制的影响规律。获得软硬磁复合材料微观结构与宏观磁性能的关系，为高性能纳米双相复合永磁材料的开发提供理论和结构模型。

永磁材料作为一种能量密度很高的贮能器，能够高效地实现能量与信息的相互转换，广泛应用在航空航天，国防军事，以及医疗器械等各种领域，其发展水平深刻影响着国民经济的各个方面。纳米双相复合永磁材料被称第四代永磁材料，虽然对其取得了实验和理论上的重大进展，但是目前纳米复合材料获得的磁性能仍然和理论值有很大的差距。这主要是因为复合材料的微观结构很难通过现有的手段实现良好控制。基质辅助脉冲激光沉积（MAPLE）技术，是一种有效的由微观结构单元构筑宏观材料的新途径。该系统最初是用于沉积聚合物或者生物材料等目标产物，形成无损伤的薄膜。.我们创新性的将MAPLE冷冻靶沉积系统，用于制备纳米颗粒组装膜。在MAPLE沉积过程中，首先选取合适的溶剂分散纳米颗粒，用液氮冻结成靶材，然后用一定能量的脉冲激光轰击靶材，溶剂被蒸发带走大部分激光能量，保护纳米颗粒不被损伤，沉积到基片上，形成纳米颗粒组装膜。系统研究了，冷冻靶材的试剂种类、靶材到基片之间的距离、基片温度、腔体内的气体与压力, 外加磁场以及激光能量等参数对不同形貌、不同尺寸磁性纳米颗粒（方形、棒状，球形）组装形成单层、多层膜的控制规律。并结合固态金属靶沉积技术，实现了纳米颗粒和固体金属膜的混合多层膜的制备。研究了金属薄膜在颗粒组装膜上的沉积规律和两种材质在薄膜中的分布特征。实现了利用MAPLE技术沉积软硬磁相复合薄膜的制备方案，研究了复合结构的宏观磁性和微观结构的关系。.探索结构和性能可控的新型纳米材料是当前科学研究的前沿领域和重要研究方向。通过冷冻靶低能激光沉积的技术，实现靶材料无损伤的沉积，为实现纳米材料和高分子、生物分子等材料有机的结合，提供了技术前提。本项目为进一步探索结构和性能可控的新型纳米材料，以及纳米材料和其他功能性分子的复合材料，器件等领域提供新的研究途径和设计理念。