铁磁/反铁磁超晶格自组装体系的构建与磁学性质研究

Exchange-bias (a shift in the soft magnetization curve) is the most famous effect resulting from the coupled ferromagnetic/antiferromagnetic systems. The phenomenology of exchange bias has been extensively investigated. The essential physics underlying the phenomenon are the dynamics of domain walls in antiferromagnet and the exchange interaction between the antiferromagnet and ferromagnet at their interface. For technical reason, it is difficult to determine the magnetic configuration at the interface. Superlattices self-assembled from monodisperse nanocrystals are attracting great attention because of their potential applications in electronic, optoelectronic, and magnetic devices. In order to investigate the nature of interfacial exchange interaction in the exchange bias systems, we fabricate binary magnetic nanocrystal superlattices (periodically ordered arrays of magnetic nanocrystals with two different well-defined diameters). Compared with the coupled bilayer and core-shell ferromagnetic/antiferromanetic systems, binary ferromagnetic/antiferromanetic superlattices self-assembled from magnetic nanocrystals have clear magnetic interfacial interactions. Here, Fe3O4 and MnO monodisperse nanocrystals will be prepared by the thermal decomposition of metal-oleate complex in high boiling solvents. Particle size and shape can be controlled by varying the experimental conditions. Fe3O4 and MnO monodisperse nanocrystals are mixed and tend to assemble into a new structure with maximum packing density by adjusting their size ratio and stoichiometric ratio. Finally, we study the exchange-bias effect and the magnetic performance of such binary ferromagnetic/antiferromanetic superlattices.

铁磁/反铁磁耦合体系的'交换偏置效应'，已经在巨磁电阻效应的磁电子器件中得到广泛应用并开启了自旋电子学的发展。但由于技术所限，难以对铁磁与反铁磁耦合薄膜及核-壳体系中界面交换作用的本质进行深入的研究。故本研究以铁、锰的油酸化合物为前驱体，在1-十八烷烯等介质中通过热分解方法制备亚铁磁四氧化三铁（Fe3O4）以及反铁磁氧化锰（MnO）纳米颗粒；控制纳米颗粒的形貌以及纳米颗粒的粒径尺寸，用制备的四氧化三铁以及氧化锰纳米颗粒作为基本基元实现二元铁磁/反铁磁超晶格体系的构建；研究不同结构超晶格体系的磁学性能，分析铁磁/反铁磁超晶格体系界面相互作用与磁学性能(主要是交换偏置场)的内在关联机理。以磁性纳米颗粒为构建基元的铁磁/反铁磁超晶格体系具有清晰明了的界面交换作用，可有效深入探索界面相互作用与交换偏置场之间的关系，进而为进一步揭示'交换偏置效应'的物理机理提供实验依据。

在国家自然科学青年项目资金支持下，研究了磁性氧化物的制备与性能研究工作，首先利用溶胶-凝胶方法以及水热合成技术开展MnFe2O4以及Fe3O4颗粒的制备；开展了软磁合金和硬磁合金TbFe2双层耦合薄膜的磁致伸缩效应理论模型及其模拟研究，首先依据能量模型计算得出这种双层薄膜总能量，研究TbFe2磁层厚度和界面耦合相互作用系数对磁致伸缩响应强度的影响；融合溶胶-凝胶方法以及静电纺丝技术开展了一维超有序二氧化硅纤维的制备及其改性工作，有效开展了二氧化硅为基础的无机/有机杂化纤维的制备及其性能研究工作。..取得重要研究进展如下：.1.应用溶胶-凝胶方法制备磁性尖晶石氧化物（AB2O4），在样品制备过程中发现了最终产品对原始反应体系中离子还原能力的依赖性。在柠檬酸反应体系中，原始反应物Mn2+、Ni2+，与Fe3+共混均匀后，经过完全相同的制备程序，结果显示由于Mn2+与Ni2+还原能力的区别，与煅烧过程中生成的还原气体反应，最终产物分别得到MnFe2O4氧化物与FeNi合金。..2. 建立起软磁合金和硬磁合金TbFe2双层耦合薄膜的磁致伸缩效应的模拟模型。并围绕上述模型开展了一系列模拟研究，为深入理解磁致伸缩双层耦合薄膜的内部微观参数与宏观性能表现之间的内在联系提供了有效的支撑。..3. 有效融合溶胶-凝胶方法以及静电纺丝技术开展了一维超有序二氧化硅纤维的研究工作。首先通过水解正硅酸乙酯制得用于静电纺丝的二氧化硅前躯体，再混入助纺剂，分别用针头与滚轴两种电纺仪器制备一维二氧化硅纤维，扫描电镜显示通过针头纺出的二氧化硅纤维直径比较均一，而滚轴电纺仪器的二氧化硅纤维中，样品呈现明显的带状结构，并且在导电纸(含有少量导电颗粒的非导体)收集衬底上发现少许的一维超有序结构二氧化硅。同时在优化溶剂的基础上成功制备二氧化硅为基础的无机/有机杂化纤维并对其改性研究，实现其多功能性。