3D有序尖晶石结构磁性纳米球组装体的合成、结构与磁性调控

无序的纳米磁性颗粒排列会影响对磁性颗粒间相互作用的判断，因此，有序磁性纳米组装体成为近年来无机纳米材料的研究热点之一。本项目将从一元磁性氧化物体系入手，采用纳米模板复制技术合成具有三维有序堆积结构（fcc/bcc）的磁性纳米球组装体，所得的磁性纳米球在粒径、形状及各向异性方面具有较高的一致性，便于开展磁学机制的研究。项目探讨模板及合成条件对磁性纳米球微观结构的影响；研究有序纳米磁性组装体的磁行为，揭示磁性纳米球的粒径及间距对纳米磁性体系的磁调控作用，阐明纳米球间磁相互作用的种类及其强度随纳米球粒径与间距的变化规律；将一元磁性氧化物的研究工作推广到二元铁氧体体系中，探讨不同类型（软磁/硬磁、反铁磁/亚铁磁）磁材料的变化规律，总结纳米球有序体系的磁物理机制。项目的成功实施将获得一类尖晶石结构磁性纳米球3D组装体的系统知识，为磁性纳米粒子的磁调控提供新思路，实现纳米组装体结构有序带来的磁有序。

3D有序磁性纳米组装体是近年来无机纳米材料的研究热点之一，通过纳米粒子的有序组装，人们不仅可以研究纳米粒子本身的个体行为，更可以研究因其有序组装带来的集体行为。. 本项目旨在合成从一类尖晶石结构磁性纳米球3D组装体并研究其磁性行为：（1）项目首先研究fcc/bcc堆积的介孔硬模板（FDU-12/SBA-16）合成，对其孔径、晶胞参数、形貌、孔道微化学环境进行调控，便于磁性氧化物在其孔道内的自组装；通过项目实施，成功地获得了公斤级的不同晶胞参数、孔径的介孔硬模板。（2）在此基础上，项目其次精确调控了磁性Co3O4纳米球3D组装体结构，通过使用不同晶胞参数的介孔硬模板，控制磁性纳米球的堆积方式以及球的均匀性，使得球的大小以及球间距实现连续可调。我们研究了因磁性纳米球有序排列引起的磁性变化，探讨氧化物纳米球之间的相互作用，发现在Co3O4纳米球3D组装体中球的有序堆积带来了磁性能的连续调控。磁性能研究表明Co3O4纳米球系统的磁学行为的因素不仅仅是由于传统的纳米尺寸效应，还取决与纳米球之间的距离。（3）在项目实施中，意外获得了具有空心结构的介孔纳米氧化铁小球。利用介孔硬模板的限域作用，α-Fe2O3在孔壁的内表面涂覆，当量比较少时，形成了空心结构，该结构直径在17nm左右，壁厚在5nm左右。通过进一步的还原和氧化，该结构有效得转化成具有空心球结构的Fe3O4和γ-Fe2O3，并对其磁学性能进行了研究，结果与文献报道类似。这是首次利用硬模板法获得20nm左右的铁氧化物空心结构，是本项目的意外收获。. 总之，就3D组装体系而言，用球作为的基本构筑单元是一种理想的选择，而通过纳米模板复制技术可以保持纳米组装体系中纳米颗粒尺寸一致、形状可控、间距可调以及成分均一，在探讨磁学行为时可以排除结构缺陷带来的不确定性。通过对纳米球3D组装体磁性研究表明，纳米结构的有序化将带来磁学性能的变化。