低维碳/铁系金属复合功能磁结构磁电耦合调控机制的电镜原位研究

Low-dimensional carbon-ferrous metal multi-functional materials are recently one of the hottest research topics in condensed matter physics and material science, which is because of not only their unique and novel physical properties from a fundamental point of view, but also the future industrial demands to continuously improve the performance of micro-wave adsorbing, bio-catalysis detection, and systematically reduce the scale of spin and tunneling devices. This project is aimed to kick-start a research of controlled preparation of low-dimensional carbon-ferrous metal hybrids over the size, uniformity and composition by means of electrospinning and high-temperature liquid phase synthesis techniques. The magnetic domain structure, magnetic force line distribution map and magnetization reversal process will be dynamically investigated under the biases of external electric and magnetic field with different direction and intensity by using a dedicated electrical-magnetizing TEM holder combined with Lorentz (aberration corrected) transmission electron microscopy (LTEM), electro-holography technique and ultrafast image capture system. A systematic research on how the size of ferrous metal nanoparticles, inter-particles spacing and the conductivity of carbon structure affect the magneto-electric properties of low-dimensional carbon-ferrous metal architectures will be carried out. In combination with theoretical simulation and calculation, a physical model revealing the intrinsic magneto-electric coupling mechanism in low-dimensional carbon-ferrous metal hybrids will be tried to bring out. It is believed that this project would contribute useful experimental and theoretical knowledge for the development of smart carbon-ferrous metal multifunctional materials.

低维碳功能化磁性纳米复合材料是近年来凝聚态物理和材料科学研究的热点之一，原因不仅在于它们呈现出的许多新奇物理性质所具有的重要基础研究价值，而且是被认为可以满足未来微波吸收、生物探测性能进一步提高，自旋电子器件进一步微型化和集成化等的实际应用需要。本项目拟以设计制备粒径、混合度和成份可控的复合碳/铁系金属低维磁结构，通过洛伦兹（球差）透射电镜/电子全息技术和超高速图像采集系统，在原位加磁、电作用下，实时观测在铁系金属粒径大小、颗粒间间距、主体结构碳纤维导电性作为独立参数变化时铁系金属纳米颗粒磁畴结构、磁力线分布以及磁化翻转过程，深入研究其微观磁结构的变化规律。探索分析在纳米甚至原子尺度上低维碳/铁系金属复合功能磁结构中磁电相互作用机理和磁电耦合机制。为该类材料的基础研究和应用提供技术和理论依据。

低维碳功能化磁性纳米复合材料是近年来凝聚态物理和材料科学研究的热点之一，原因不仅在于它们呈现出的许多新奇物理性质所具有的重要基础研究价值，而且是被认为可以满足未来微波吸收、生物探测性能进一步提高，自旋电子器件进一步微型化和集成化等的实际应用需要。本项目以低维碳/铁系金属（氧化物）复合功能磁结构材料为研究主题，通过静电纺丝结合高温液相的方法制备得到低维碳/铁系金属（氧化物）复合功能磁结构，并基于透射电镜原位分析技术，系统研究获得了低维碳/铁系金属复合结构形成过程中形貌、晶型和化学价态变化信息，运用洛伦兹透射电镜与电子全息技术结合系统研究获得了在颗粒尺寸、颗粒间间距、颗粒结晶程度、晶向作为独立参数变化时磁性纳米颗粒的磁畴结构、磁力线分布以及磁化翻转动态变化过程和机制。研究发现：1）在碳/铁系金属复合纳米纤维中，铁系金属可以起到很好的催化石墨化作用，并且该石墨化过程中受到铁系金属的晶面影响；2）在铁系金属氧化物研究中，以典型尖晶石结构钴铁氧体和六方单轴M型钡铁氧体为例，磁各向异性在不同形貌、晶体结构与结晶性的低维磁性材料中扮演着不同角色，从而使得低维磁性材料表现出不同的宏观性质。这将为后续磁性氧化物微/宏观磁性能与其结构之间的构效关系研究打下坚实基础，同时在低维碳/铁系金属复合材料生长机制和调控方面提供了理论指导。