强磁场下纳米颗粒的结构演化及其对薄膜生长的影响

纳米薄膜由于具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应，可以产生独特的电、磁、光和催化等特性。为了使纳米薄膜具有满足需要的性能，必须控制纳米颗粒的沉积、吸附、表面扩散等过程。本项目研究强磁场下分子束气相沉积薄膜过程中，强磁场下纳米颗粒的结构演化及其对薄膜生长的影响。在真空条件下,通过调节分子束源的温度来调控纳米颗粒的尺寸及生长速率，在强磁场下制备不同尺寸的颗粒膜和不同厚度的连续膜。通过研究强磁场对不同尺度纳米颗粒的结构形态、相组成和择优生长等的作用规律，确定强磁场对纳米颗粒的凝结形核和生长、最终成膜质量的影响，明确强磁场对纳米颗粒结构演化和调控薄膜结构的作用机制。本研究可以丰富强磁场材料科学的理论，为纳米材料的可控制备提供理论依据和实验指导，具有重要理论价值和现实意义。

纳米薄膜由于具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应，可以产生独特的电、磁、光和催化等特性。为了使纳米薄膜具有满足需要的性能，必须控制纳米颗粒的沉积、吸附、表面扩散等过程。本项目通过调整分子束源来控制纳米颗粒的尺寸、成分、含量和生长速率，在强磁场条件下制备出不同尺寸的颗粒膜和不同厚度的连续膜。通过对膜结构的考察，揭示了强磁场下纳米颗粒的结构演化及其对薄膜生长过程的影响机制。结果表明可以通过源温度和强磁场来控制纳米颗粒的尺寸、成分和分布。强磁场会对尺寸在5-15nm范围内的纳米颗粒的形核、扩散、聚集和择优生长产生显著影响。纳米颗粒在形成二十面体时是表面和内部原子同时形成二十面体结构。而在形成hcp结构时情况明显不同，纳米颗粒的hcp结构的形成是从内部到表面。合金纳米颗粒中原子偏析会诱导纳米颗粒的结构从二十面体向十面体结构转变。纳米颗粒的凝固结构和原子排布与颗粒的成分和尺寸密切相关，可以通过尺寸和成分的控制使纳米颗粒形成不同的晶体结构。纳米颗粒沉积到基片上后的结构演化与自由的纳米颗粒的结构演化明显不同，并且容易发生沿基片的外延生长。对Co纳米颗粒即使处于高温顺磁性，在强磁场中仍然会受到一个大的磁化力，这会使Co颗粒磁化成磁偶极子，从而诱导其沿磁场方向形成柱状生长。从而对薄膜的磁各向异性能产生显著影响。6T强磁场能在细化晶粒尺寸、诱导<111>取向的同时，提高薄膜的结晶度。从而使薄膜的矫顽力降低73.9%达到4.847Oe。薄膜的饱和磁化强度增加19.6%到1.276×106A/m，高于目前报道的最高值。6T强磁场对薄膜磁性能的作用效果要明显强于400°C的基片温度。强磁场还会对薄膜的面内磁各向异性产生显著影响。强磁场还可以通过塞曼能减少磁性相的吉布斯自由能中的熵来影响薄膜的相形成，从而达到控制薄膜相组成的目的。本项目的研究结果表明强磁场可以影响纳米颗粒的结构演化进而影响薄膜的生长。本项目的研究结果丰富了强磁场材料科学的理论，为纳米材料的可控制备提供了理论依据和实验指导，具有重要理论价值和现实意义。