软磁/反铁磁纳米复合颗粒的制备及高频磁性的调控

电子元件小型化和高频化要求其中的磁性材料在GHz频段具有高磁导率、高共振频率以及低损耗。受Snoek关系的限制，同时提高材料的共振频率和高频下的磁导率一直是国际上公认的难点。本项目提出构建具有核/壳结构的软磁/反铁磁纳米复合颗粒，软磁核成分为FeCo或FeNi合金，反铁磁壳的成分为(NixCo1-x)O，将纳米复合颗粒自组装成薄膜，采用磁场处理使磁各向异性场和交换偏置场垂直，来同时提高共振频率和磁导率。研究软磁/反铁磁纳米复合颗粒中软磁及反铁磁的成分、尺寸及形状对薄膜高频磁性的影响规律，优化纳米复合颗粒的成分和结构，发展具有优异高频磁性的新型磁性材料。通过研究交换偏置场和磁各向异性场的大小及方向对磁导率和共振频率的影响规律，揭示软磁/反铁磁纳米复合结构中影响共振频率和磁导率的物理根源，建立新的Snoek关系，为制备具有优异高频磁性的纳米复合颗粒提供理论依据。

磁性材料在高频磁场下的磁学行为一直是磁性材料研究领域的热点。我们主要开展了以下工作：1. 本项目构建了含有216个晶粒的软磁/硬磁交换耦合的模型，用微磁学有限元方法计算了材料的静态磁化和反磁化行为，同时研究了硬磁相得取向对交换耦合磁体磁性的影响，讨论了硬磁相的取向度、软、硬磁相的含量、晶粒大小及分布对纳米复合磁体磁性能的影响，预测了各向异性纳米复合磁体的磁能积可高达75 MGOe，为目前工业化生产各向异性纳米复合磁体提供了理论参考依据。2. 本项目采用高温有机溶剂法合成了具有反铁磁性的Fe3BO5纳米棒，该纳米棒由具有多重孪晶结构的纳米颗粒定向生长得到。在此基础上，尝试用Co元素取代Fe3BO5纳米棒中部分Fe元素，掺Co的纳米棒中反铁磁成分与铁磁成分共存，该纳米棒表现出明显的交换偏置行为，当Co含量为0.01时，该纳米棒在室温下具有800Oe的矫顽力，10K时的矫顽力达到2000Oe，居里温度高达560K，交换各向异性的引入导致纳米棒的各向异性增大，有望提高其铁磁共振频率，在高频下表现出优良的特性。我们从微观结构上分析了铁磁性的来源，认为Co的加入占据了Fe2和Fe4的位置，增强了Ladder之间的交换作用，导致了铁磁成分。该纳米棒在高频和生物医学领域有着重要的应用。3.开展了尺寸和成分可控的MnFe2O4纳米颗粒的制备研究，构建了MnFe2O4/dye/SiO2 纳米复合结构，标定了有机染料的荧光强度对温度的依赖关系，利用有机染料荧光强度的变化测定了MnFe2O4/dye/SiO2 纳米复合结构在交变磁场中的温度变化，结果表明，磁性纳米颗粒在射频场中的产热高度局域化。该纳米复合颗粒表现出优异的交流磁性，在微波和生物医学领域有巨大的潜在应用。 4.采用高温有机溶剂法制备了Fe3Se4、Fe7Se8、FeSe2纳米颗粒，并通过改进反应条件将纳米颗粒的尺寸降为20 nm 左右，这些纳米颗粒在室温下和低温下均有表现出了优异的磁性能。此外我们系统研究了纳米结构的FeSe合金的相组成与回流温度和回流时间的关系。纳米结构的FeSe化合物具有奇异的电学性质和优异的磁学性质，它们在微波领域有着重要的应用前景。