铁磁性金属纳米管的自牺牲模板法组装及其磁特性研究

Ferromagnetic metallic nanotubes have attracted considerable attention because of their unique properties and potential applications. However, it is still a challenge to synthesize these nanotubes with controllable morphology and study the physical nature relationships between structure and magnetic properties. Here, we present a research idea to assmble nanotubes via self-sacrificed template method. By controlling the structures of the nanotubes, we attempt to reveal the mechanism of the influence of structure characteristics on magnetic properties, and clarify the key scientific issues related to materials science, physics for ferromagnetic metallic nanotube. This research plan covers three aspects: The first one is to study the basic preparation route to fabricate ferromagnetic metallic nanotubes through designing reasonable experiments, and understand the key technology and principle for controlling the morphology and the structure of the nanotubes. The second is to investigate the relationship between the magnetic properties and the structural parameters of the nanotubes, such as the diameter of nanotubes, wall thickness, aspect ratio et al, and theoretically analyze the effects of structural parameters to the magntice properties, such as magnetization mechanism, domain wall motion, magnetocrystalline anisotropy and so on. The third is to reveal the physical nature of magnetic properties resulting from structural parameters for ferromagnetic metallic nanotube with nickel as the example, establish basic theory model, and design ferromagnetic metallic nanotubes with controllable structures. The aim of this project is to provide a scientific basis for the research of nanostructures and the design of high-performance magnetic materials and devices.

铁磁性金属纳米管是极具应用前景的一类磁性纳米材料。如何获得形态结构可控的纳米管进而研究其结构与磁特性的物理本质关系，是铁磁性金属纳米管走向应用的关键和难点。本项目提出自牺牲模板法组装纳米管的研究思路，从纳米管形态结构控制出发，揭示其结构特征对磁学性能的影响机制，厘清铁磁性金属纳米管磁特性研究中涉及的材料、物理等关键科学问题。通过研究制备铁磁性金属纳米管的基本工艺路线，掌握控制纳米管形态结构的关键技术和制备原理；重点研究纳米管直径、管壁厚度、长径比等结构参数与磁特性的关系，结合实验结果和模拟计算从理论上分析结构参数对铁磁性金属纳米管磁化机制、畴壁运动、磁晶各向异性等所起的作用;从微观层面揭示以镍为代表的铁磁性金属纳米管的结构特征参数对宏观磁性能影响的物理本质，建立相应的基本理论模型，并以此指导铁磁性金属纳米管的结构设计，为高性能磁性材料和器件的研究与开发提供科学基础。

本项目按照预定研究计划完成，提出采用溶液中生成的金属氢氧化物为模板，在其表面发生催化还原反应，利用模板在反应过程中发生自分解这一特性，在保留模板形态结构特征的同时，形成具有空心结构的铁磁性金属纳米管，并对纳米管进行表面改性，重点研究了不同形貌Ni-P纳米结构的形成机理和热处理对Ni-P纳米结构成分、相变、性能的影响规律，深入探究铁磁性金属纳米管成分-结构-物性之间的耦合效应及磁响应特性。在本项目的资助下，围绕上述研究内容，已发表SCI 论文12篇，申请国家发明专利4项，其中授权专利3项。主要研究结果如下：.(1) 研究了水热法制备α-Ni(OH)2纳米线的生长机理，建立了水热法制备α-Ni(OH)2纳米线前驱体生长模型。分析表明：水热条件下合成α-Ni(OH)2纳米线是在低OH-浓度和高纯SO42-阴离子环境的双重条件下晶体沿着(001)方向择优生长的产物。在此基础上，利用催化还原法制备Ni-P纳米结构，研究表明：通过控制催化还原反应的参数，分别制备得到了外径约为50~100 nm，内径约为10~20 nm的Ni-P纳米管以及直径约为50~100 nm，孔道内径约为10~20 nm的Ni-P穿孔球和直径约20 nm的Ni-P纳米实心球。.(2）对不同形貌Ni-P纳米结构的静磁性能和微波吸收性能进行了测试。结果表明：Ni-P纳米管在最佳匹配厚度下的RLmin最小，经过热处理的样品体现出了铁磁特性。经过450℃热处理Ni-P纳米管的RL在-10 dB以下的带宽由热处理前的0.6 GHz大幅提高到4.5 GHz。热处理过程中Ni-P纳米管会发生相变和结晶特性的转变，这种转变能在一定程度上提高纳米管的电磁性能，进而提高Ni-P纳米管的应用潜力。.(3）通过对Ni-P纳米管进行表面化学镀钴处理，得到了Ni-P/Co纳米管，并对改性后产物结构、形貌和成分进行了表征以及静磁性能和微波吸收性能进行了测试，分析显示： Ni-P/Co纳米管的复介电常数和复磁导率的实部和虚部值在2~18 GHz频率范围内均高于Ni-P纳米管。当n(Co):n(Ni)比为1:1时，Ni-P/Co纳米管在最佳匹配厚度（2.1 mm）时的RLmin可达-60.30 dB，其RL≤-10 dB的带宽达到5.3 GHz，频宽比达33.13%，几乎涵盖了2~18 GHz频率范围内的1/3，即具有极好的应用前景。