Fabrication et comportement magnétique de nanocâbles coaxiaux trois couches Nd/ferromagnétique/PA66

Résumé

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

Contexte

Le nanocâble coaxial est un type particulier de nanostructure 1D dans un système composite, qui a attiré beaucoup d'intérêt pour sa structure et ses propriétés uniques. Par conséquent, les nanocâbles ont des applications potentielles dans les domaines de la catalyse, du stockage d'énergie, des matériaux photoélectriques, de la nanobiotechnologie, de la protection de l'environnement, des capteurs magnétiques et des supports d'enregistrement magnétique [1-11]. Le développement des supports d'enregistrement magnétique est limité par la limite superparamagnétique [12] et la limite d'enregistrement planaire. L'enregistrement perpendiculaire implique l'enregistrement de données dans des colonnes verticales tridimensionnelles plutôt qu'en deux dimensions. Pour surmonter ces limitations, soit la structure des nanomatériaux, soit l'anisotropie effective du matériau peut être innovée et améliorée. Les cylindres ferromagnétiques sont suggérés comme support pour atteindre cet objectif.

Les cylindres ferromagnétiques incluent les nanofils multicouches magnétiques, les nanocâbles, les nanotubes et nanofils ferromagnétiques. Comparés aux nanotubes et nanofils ferromagnétiques, les nanofils multicouches magnétiques et les nanocâbles ont efficacement amélioré les propriétés magnétiques [13,14,15,16] et étendu les champs d'application. Parmi les diverses méthodes de préparation, la méthode basée sur template est l'une des plus couramment utilisées. La taille, la forme et les propriétés structurales des nanocylindres électrodéposés sont contrôlées par le template et les paramètres d'électrodéposition. Il est bien connu que les matériaux aimants permanents consistent en matériaux ferromagnétiques et un métal de terre rare. Inspirés par cela, des nanofils ferromagnétiques dopés avec un élément de terre rare ont été préparés et peuvent changer les propriétés magnétiques des composites [17]. À notre connaissance, les nanocâbles magnétiques dopés au Nd ont rarement été rapportés. 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 à la pointe de la technologie sans utilisation d'agent modificateur est présenté. Nous avons employé le template d'alumine anodisée (AAO), qui a des canaux réguliers et une large gamme de tailles et est approprié pour les nanotubes, nanofils et nanocâbles, pour préparer des nanocâbles coaxiaux triples couches Nd/FM (FM=Fe, Co, Ni)/PA66 couche par couche. La couche la plus externe de nanotubes de PA66 a été fabriquée par mouillage de solution sur template AAO. La coquille externe consistant en un nanotube polymère peut protéger le noyau métallique interne de l'oxydation et de l'érosion et conserver l'excellente conductivité et magnétisme. Les nanotubes ferromagnétiques de la couche intermédiaire et les nanofils internes de Nd ont été électrodéposés, et à leur tour, l'électrodéposition peut contrôler efficacement la structure géométrique. Les propriétés magnétiques des nanocâbles coaxiaux ont été étudiées.

Méthodes

Préparation des nanotubes de PA66 et de l'électrode de travail

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

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

Des solutions électrolytiques ont été préparées de 0,7 M Ni²⁺, 0,8 M Co²⁺ et 0,8 M Fe²⁺ en solution aqueuse séparément. -1,0 V/SCE pour Ni²⁺, -1,2 V/SCE pour Co²⁺ et -1,2 V/SCE pour Fe²⁺ ont été employés pour préparer les nanotubes de Ni, Co et Fe, respectivement, dans les nanotubes de PA66 pendant 15 min pour obtenir les doubles nanotubes FM/PA66.

Préparation des nanocâbles coaxiaux Nd/FM/PA66

Une solution électrolytique de 1,0 M Nd³⁺ a été préparée, puis -2,5 V en courant continu a été appliqué pour préparer des nanofils de 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 KCl saturée comme électrode de référence. La figure 1 montre le schéma diagramme de préparation des nanocâbles trois couches, comme suit :

Caractérisation

La microscopie électronique à balayage (MEB; 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 (5 µL) d'échantillon dilué a été placée sur une grille de cuivre et évaporée avant observation. L'analyse élémentaire a été identifiée par diffraction des rayons X (DRX; Bruker D8 Advance avec rayonnement Cu-Kα, λ = 1,5418 Å). Les mesures d'aimantation des doubles nanotubes FM et des nanocâbles Nd/FM/PA66 ont été effectuées 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 assurer de meilleures conditions permettant aux nanotubes de PA66 et FM de croître à la même longueur. La nanostructure des nanotubes FM/PA66 est montrée en Fig. 2. Comme on le voit sur les images MEB de la Fig. 2a, c, e, les nanotubes FM et PA66 sont presque de la même longueur, et les bouches des nanotubes sont presque ouvertes. Après retrait du template AAO, les nanotubes FM/PA66 ont formé des réseaux réguliers. Les images MET prouvent davantage la nanostructure des nanotubes à double couche. Comme on le voit en Fig. 2b, d, f, les parois des nanotubes de PA66 comme gaine sont continues. Et les nanoparticules de FM sont uniformément distribuées 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 jointes pour former des nanotubes FM. Par conséquent, les nanotubes de PA66 et FM ont formé des nanotubes coaxiaux à double couche.

Les métaux de terre rare sont l'un des éléments des aimants permanents. Inspirés par cela, du Nd a été électrodéposé dans les nanotubes à double couche ci-dessus pour créer des nanocâbles coaxiaux à trois couches. La morphologie de la nanostructure Nd/FM/PA66 est montrée en Fig. 3. Les images MEB montrent que les nanostructures sont multicouches et ont presque la même longueur (les paramètres de taille des nanostructures sont indiqués dans le Tableau 1). Le contraste entre les interfaces polymère/métal est clairement montré dans les images MET. Par conséquent, l'image MET du nanocâble Nd/Ni/PA66 en Fig. 3b montre que le contraste est clair entre la couche externe et la couche interne. La couche la plus externe est un nanotube de 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 deux des métaux. Comme on le voit en Fig. 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 montré en Fig. 4. Les pics de diffraction distincts observés à 2θ de 44,32° et 75,72° sont cohérents avec le pic de diffraction des plans cristallins (111) et (220) du 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 aussi un pic de diffraction typique du Nd (206). Les pics de diffraction (2θ de 37,78°, 64,48°, 77,56° et 81,77°) de l'Au qui ont été introduits par le film d'or pulvérisé utilisé pour l'électrodéposition sont complets, car la valeur de l'Au est grande, donc certains pics de l'Au chevauchent ceux du Fe, Co et Ni.

Le magnétisme de tous les échantillons encapsulés dans le template AAO a été mesuré. Les templates AAO ont une certaine quantité d'antimagnétisme et réduisent légèrement l'énergie magnétique des échantillons. La Fig. 5a-f montre les boucles d'hystérésis d'aimantation (M-H) des nanotubes FM/PA66 et des nanocâbles Nd/FM/PA66. On peut voir que les nanotubes et nanocâbles ont une anisotropie magnétique. Il est très facile à comprendre que les deux systèmes ont le même diamètre externe, ce qui détermine l'anisotropie magnétique des nanotubes et nanocâbles. Le magnétisme des nanocâbles est plus fort que celui des nanotubes après dépôt de Nd. C'est parce que le Nd, en tant que métal de terre rare typique, possède un grand couplage spin-orbital, lorsque les nanoparticules de Nd diffusent dans le FM à l'interface composite et travaillent ensemble avec les métaux FM, ce qui mène à un effet synergique et améliore l'anisotropie magnétique des nanocâbles Nd/FM/PA66 [20]. Selon la Fig. 5, les paramètres magnétiques des trois systèmes sont montrés dans le Tableau 2. On peut voir clairement que les paramètres magnétiques des nanocâbles tels que la coercivité et l'aimantation rémanente parallèle à l'axe long sont plus grands que ceux de la direction verticale et des nanotubes.

Conclusions

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

Abréviations

AAO :

Alumine anodisée

FM :

Fe, Co, Ni

M-H :

Boucles d'hystérésis d'aimantation

PA66 :

Polyamide 66

MEB :

Microscope électronique à balayage

MET :

Microscope électronique à transmission

DRX :

Diffraction des rayons X