磁性核壳金属纳米材料的界面自旋与物性调控研究

The issue that the spin state of outermost functional layer in magnetic multilayer nanomaterials is tunable by interfacial microstructure and therefore leads to specific surficial electronic structure and physicochemical properties, is of great importance in magnetism and surface/interface science. Aimed at building the relationship between spin state and surficial properties, in situ electron microscopy and magnetic proximity effect is herein the research basis to construct core-shell structures with distinct interfaces, to study the evolution of magnetic structure, surficial atomic arrangement and electronic structure in the surface physicochemical reactions, and finally to overcome the obstacle in observing magnetic and surficial structure simultaneously. Regarding magnetic core-shell nanostructure as research model, wet chemical method provides approaches to prepare multilayer structures with unique morphologies such as cubes, octahedrons, spheres and truncated polyhedrons with tunable thicknesses for functional layers. The interfacial structure and lattice defect can be tuned to control magnetic structure and surficial atomic arrangement. With the help of Lorentz transmission electron microscope (TEM) and environmental TEM, the magnetic structure and atomic arrangement during the surface physicochemical process are in situ observed with the characteristic parameters such as reaction rate monitored. Combing experiment and theory to build the relationship between spin state and surface properties can promote its applications in energetic and catalytic fields.

磁性多层结构纳米材料最外部功能层的自旋状态能通过界面微结构进行调控，进而获得特定的表面电子结构与物化反应性质，在磁性与表面/界面科学中具有重要的研究意义。本项目将建立自旋状态与表面性质间的联系作为研究目标，以原位电子显微术与磁近邻效应为基础，构建具有清晰界面的核壳结构，研究表面物化反应前后磁结构的变化、表面原子排布演化以及电子结构的改变，从而突破纳米尺度下难于同时观察磁结构与表面结构的局限性。拟采用磁性核壳金属纳米材料为研究对象，通过湿化学方法构建具有不同厚度功能层的立方体、八面体、球体、截角多面体等特定形貌的多层结构，改变界面状态、晶格缺陷等，控制磁结构与表面原子排布。采用洛伦兹电镜与环境气氛球差电镜，原位观察表面物化反应前后的磁结构信息与原子排布，监测反应速率等；通过实验与理论相结合，建立发展自旋状态与表面性质间相互调控的理论，推进其在能源、催化等领域的应用。

磁性多层结构纳米材料的磁性能通过界面微结构进行调控，并影响物化反应性质，是推动特定结构材料设计与合成、拓展磁性和催化关联并提升催化反应性能的重要手段，在磁性与表面/界面科学中具有重要的研究意义。.本项目发展了磁性核壳结构/空心结构/截角八面体金属纳米材料的可控制备与表征方法，同时研究材料磁性与催化性能之间的内在关系，探索催化及离子束辐照对结构稳定性的影响，最后发展了孔隙结构三维表征方法。首先设计和改进材料制备手段，将湿化学方法中的晶体成核阶段与生长阶段分离并控温调节，可以使Pd立方体核心尺寸从15 nm到35 nm变化，以之为种子进行二次生长，通过控制种子量、反应前驱物用量与温度，成功构建具有不同厚度功能层的Pd@NiPt立方体多层结构；发展电置换制备一维空心FePt纳米球链的方法，实现元素、壳层厚度、尺寸的可控调节；通过在反应釜高温还原法中引入反铁磁元素Mn，实现对PtCo截角八面体的掺杂。随后以一维空心FePt纳米球链为基础，研究了催化NaBH4分解制氢的特性。在结构稳定性测试研究中发现，室温催化NaBH4分解不会影响一维空心FePt纳米球链的整体结构，但是离子束辐照会使超薄空心球壳产生塌陷和溅射的现象，通过SRIM理论模拟可获知临界离子束能量为7.7 keV。进一步采用原位离子束辐照首次在空心球壳里发现压缩效应，结合深度学习算法统计空心球粒径可定量研究球链尺寸随时间和剂量变化的关系。最后提出一种纳米探针辅助三维成像的方法，解决了聚焦离子束三维成像中导电性差引起图像畸变的问题。.本项目发展了特定表面结构磁性纳米材料的合成方法，实现了对立方体、空心结构、八面体磁性和催化特性的有效调控，展示了原位离子束辐照技术在结构稳定性研究方面的实用性。