Préparation et propriétés magnétiques des nanocâbles coaxiaux à trois couches Nd/FM (FM=Fe, Co, Ni)/PA66

Résumé

Une nouvelle méthode de préparation de nanocâbles coaxiaux à trois couches a été développée dans ce travail. Des nanocâbles coaxiaux à trois couches Nd/FM (FM=Fe, Co, Ni)/PA66 ont été assemblés avec succès de l'extérieur vers l'intérieur couche par couche. Les nanotubes de PA66 qui ont servi d'enveloppe externe ont été préparés par un modèle AAO de mouillage de solution de polymère. Des métaux ferromagnétiques et du Nd ont été déposés dans des nanotubes de PA66 pré-préparés pour servir respectivement de couche intermédiaire et de noyau interne. Les résultats montrent que la structure a des effets sur les propriétés magnétiques et que la préparation des nanocâbles permet d'ajuster chaque couche, longueur et épaisseur des nanocâbles.

Contexte

Le nanocâble coaxial est un type spécial de nanostructure 1D dans un système composite, qui a suscité beaucoup d'intérêt pour sa structure et ses propriétés uniques. Par conséquent, les nanocâbles ont des applications potentielles dans les domaines du catalyseur, du stockage d'énergie, du matériau photoélectrique, de la nanobiotechnologie, de la protection de l'environnement, du capteur magnétique et des supports d'enregistrement magnétique [1,2,3,4,5,6,7,8,9, 10,11]. Le développement des supports d'enregistrement magnétique est limité par la limite d'enregistrement super-paramagnétique [12] et plan. L'enregistrement perpendiculaire implique l'enregistrement des données dans des colonnes verticales en trois dimensions plutôt qu'en deux dimensions. Pour surmonter ces limitations, la structure des nanomatériaux ou l'anisotropie effective du matériau peuvent être innovées et améliorées. Les cylindres ferromagnétiques sont suggérés comme moyen pour atteindre cet objectif.

Les cylindres ferromagnétiques comprennent les nanofils multicouches magnétiques, les nanocâbles et les nanotubes et nanofils ferromagnétiques. Par rapport aux nanotubes et nanofils ferromagnétiques, les nanofils et les nanocâbles multicouches magnétiques ont des propriétés magnétiques améliorées de manière efficace [13,14,15,16] et des domaines d'application étendus. Parmi les différentes méthodes de préparation, la méthode basée sur un modèle est l'une des méthodes de préparation les plus courantes. La taille, la forme et les propriétés structurelles des nanocylindres électrodéposés sont contrôlées par le modèle et les paramètres d'électrodéposition. Bien connus de tous, les matériaux des aimants permanents sont constitués de matériaux ferromagnétiques et d'une terre rare. Inspirés par ceux-ci, des nanofils ferromagnétiques dopés avec un élément de terre rare sont préparés et peuvent modifier les propriétés magnétiques des composites [17]. À notre connaissance, les nanocâbles magnétiques dopés au Nd ont rarement été signalés. Nous avons préparé une série de réseaux de nanocâbles multicouches dopés aux terres rares et étudié leurs propriétés magnétiques [18].

Ici, un bref aperçu de la méthode de préparation de nanocâbles de pointe sans utiliser d'agent modificateur est présenté. Nous avons utilisé le modèle en oxyde d'aluminium anodisé (AAO), qui a des canaux réguliers et une large gamme de tailles et qui convient aux nanotubes, aux nanofils et aux nanocâbles, pour préparer la triple couche Nd/FM (FM=Fe, Co, Ni)/PA66 nanocâbles coaxiaux couche par couche. La couche la plus externe de nanotubes PA66 a été fabriquée par un modèle AAO de mouillage de solution. L'enveloppe externe constituée d'un nanotube de polymère peut empêcher le noyau métallique interne de s'oxyder et de s'éroder et conserver l'excellente conductivité et le magnétisme. Les nanotubes ferromagnétiques de la couche intermédiaire et les nanofils Nd internes ont été électrodéposés, et à son tour, l'électrodéposition peut contrôler efficacement la structure géométrique. Les propriétés magnétiques des nanocâbles coaxiaux ont été étudiées.

Méthodes

Préparation des nanotubes PA66 et de l'électrode de travail

Les nanotubes de polyamide 66 (PA66) peuvent être obtenus en mouillant les matrices AAO (le diamètre est d'environ 200 nm et l'épaisseur d'environ 60 m) avec une solution d'acide formique à 2 à 6 % en poids de PA66. Une goutte de solution de PA66 a été placée sur une lame de verre, puis un morceau de modèle AAO a été recouvert de la solution de PA66. Les nanotubes de PA66 ont été obtenus après 40 s. Une couche de film PA66 a été traitée avec de l'acide formique pour ouvrir les nanotubes PA66. Et puis un film mince d'Au a été pulvérisé sur un côté de la membrane composite PA66/AAO pour servir d'électrode de travail.

Préparation de nanotubes coaxiaux FM (FM=Fe, Co, Ni)/PA66

Des solutions d'électrolyte ont été préparées avec 0,7 M Ni²⁺ , 0,8 M Co²⁺ , et 0,8 M Fe²⁺ solution aqueuse séparément. − 1,0 V/SCE pour Ni²⁺ , − 1,2 V/SCE pour Co²⁺ , et − 1,2 V/SCE pour Fe²⁺ ont été utilisés pour préparer des nanotubes de Ni, Co et Fe, respectivement, dans des nanotubes PA66 pendant 15 min pour obtenir les doubles nanotubes FM/PA66.

Préparation de nanocâbles coaxiaux Nd/FM/PA66

1,0 M Nd³⁺ de solution d'électrolyte a été préparée, puis un courant continu de − 2,5 V a été introduit pour préparer des nanofils Nd dans les nanotubes coaxiaux FM/PA66 pendant 60 min pour former des nanocâbles coaxiaux Nd/FM/PA66

Dans l'expérience d'électrodéposition ci-dessus, un film de platine a été utilisé comme contre-électrode et une électrode Ag/AgCl dans une solution saturée de KCl comme électrode de référence. La figure 1 montre le schéma de principe de la préparation de nanocâbles à trois couches, comme suit :

Caractérisation

La microscopie électronique à balayage (SEM; JEOL JSM-6390LV) et la microscopie électronique à transmission (MET; CM200-FEG équipé d'un GIF) ont été utilisées pour caractériser les nanostructures. Pour la mesure MET, une goutte d'échantillon dilué (5 L) a été placée sur une grille de cuivre et évaporée avant l'observation. L'analyse des éléments a été identifiée par diffraction des rayons X (XRD ; Bruker D8 Advance avec un rayonnement Cu-Kα, λ = 1,5418 ). Les mesures d'aimantation des doubles nanotubes FM et des nanocâbles Nd/FM/PA66 ont été réalisées à température ambiante sur un magnétomètre à échantillon vibrant (VSM; Lakeshore 7307).

Résultats et discussion

Nous avons effectué une série d'expériences de conditions pour garantir de meilleures conditions permettant aux nanotubes PA66 et aux nanotubes FM de croître sur la même longueur. La nanostructure des nanotubes FM/PA66 est illustrée à la Fig. 2. Comme le montrent les images SEM illustrées à la Fig. 2a, c, e, les nanotubes FM et les nanotubes PA66 ont presque la même longueur, et les embouchures des nanotubes sont presque ouvert. Après avoir retiré le modèle AAO, les nanotubes FM/PA66 ont formé des réseaux réguliers. Les images MET prouvent en outre la nanostructure des nanotubes à double couche. Comme on le voit sur la figure 2b, d, f, les parois des nanotubes de PA66 en tant que gaine sont continues. Et les nanoparticules du FM uniformément réparties sur la paroi interne des nanotubes de PA66. Comme décrit dans notre étude précédente [19], le diamètre des nanoparticules est d'environ 5 nm, et chaque nanoparticule est considérée comme un domaine magnétique. Une certaine quantité de nanoparticules FM se sont réunies pour former des nanotubes FM. Par conséquent, les nanotubes PA66 et les nanotubes FM ont formé des nanotubes coaxiaux à double couche.

Les métaux des terres rares sont l'un des éléments des aimants permanents. Inspiré par cela, Nd a été électrodéposé dans les nanotubes à double couche ci-dessus pour fabriquer des nanocâbles coaxiaux à trois couches. La morphologie de la nanostructure Nd/FM/PA66 est illustrée à la figure 3. Les images SEM montrent que les nanostructures sont multicouches et ont presque la même longueur (les paramètres de taille des nanostructures indiqués dans le tableau 1). Le contraste entre les interfaces du polymère et du métal est clairement montré dans les images MET. Par conséquent, l'image MET du nanocâble Nd/Ni/PA66 de la figure 3b montre que le contraste est clair entre la couche externe et la couche interne. La couche la plus externe est un nanotube PA66 avec une paroi uniforme et continue, et la couche interne est composée de Nd et Ni. Il est affiché que la couche interne est compacte. Le contraste ne peut pas être reconnu entre Nd et Ni car ce sont tous des métaux. Comme on le voit sur la figure 3d, f, il est évident que la nanostructure est une structure cœur/coquille. De même, il est clair pour le contraste entre les interfaces de PA66 et FM et pas clair entre les deux métaux.

Le diagramme de diffraction des rayons X pour l'échantillon est illustré à la Fig. 4. Les pics de diffraction distincts observés à 2θ de 44,32° et 75,72° correspondent au pic de diffraction des plans cristallins (111) et (220) de Co, et les pics de diffraction de Fe (101) et Fe (105) correspondent à 2θ = 44,32° et 77,56°, et les pics de diffraction de Ni (011) et Ni (103) correspondent à 2θ = 44,32° et 77,56°, respectivement. 2θ =77,56° est également un pic de diffraction typique de Nd (206). Pics de diffraction (2θ de 37,78°, 64,48°, 77,56° et 81,77°) d'Au qui ont été introduits par le film d'Au pulvérisé utilisé pour l'électrodéposition sont complets, car la valeur d'Au est grande, donc certains des pics d'Au chevauchent ceux de Fe et Co et Ni.

Le magnétisme de tous les échantillons encapsulés dans le modèle AAO a été mesuré. Les modèles AAO ont une certaine quantité d'antimagnétisme et une énergie magnétique légèrement réduite des échantillons. La figure 5a–f montre les boucles d'hystérésis de magnétisation (M-H) des nanotubes FM/PA66 et des nanocâbles Nd/FM/PA66. On peut voir que les nanotubes et les nanocâbles ont une anisotropie magnétique. On comprend très facilement que les deux systèmes ont le même diamètre extérieur, ce qui détermine l'anisotropie magnétique des nanotubes et des nanocâbles. Le magnétisme des nanocâbles est plus fort que celui des nanotubes après dépôt de Nd. C'est parce que Nd, en tant que métal de terre rare typique, possède un grand couplage spin-orbital, lorsque les nanoparticules de Nd ont diffusé dans FM dans une interface composite et ont travaillé avec des métaux FM, ce qui conduit à un effet synergique et améliore l'anisotropie magnétique de Nd/FM /PA66 nanocâbles [20]. Selon la figure 5, les paramètres magnétiques des trois systèmes sont présentés dans le tableau 2. On peut clairement voir que les paramètres magnétiques des nanocâbles tels que la coercivité et l'aimantation résiduelle parallèle au grand axe sont supérieurs à ceux de la direction verticale et nanotubes.

Conclusions

Les réseaux de nanocâbles à trois couches Nd/FM (FM=Fe, Ni, Co)/PA66 ont été préparés avec succès, respectivement. Les nanocâbles Nd/FM/PA66 présentent une anisotropie hautement magnétique en raison des caractéristiques du métal des terres rares et de son effet synergique avec FM. Les réseaux de nanocâbles fournissent non seulement une nouvelle nanostructure magnétique, mais ont également une application potentielle dans le stockage magnétique perpendiculaire et les dispositifs électroniques.

Abréviations

AAO :: Oxyde d'aluminium anodique
FM :: Fe, Co, Ni
M-H :: Boucles d'hystérésis de magnétisation
PA66 :: Polyamide 66
SEM :: Microscope électronique à balayage
TEM :: Microscope électronique à transmission
XRD :: Diffraction des rayons X

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