利用晶面控制工程調控過渡金屬氧化物納米磁性的研究

《利用晶面控制工程調控過渡金屬氧化物納米磁性的研究》是依託上海大學，由李文獻擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：利用晶面控制工程調控過渡金屬氧化物納米磁性的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：李文獻
• 依託單位：上海大學

中文摘要

本項目擬利用納米晶面控制工程探索過渡金屬氧化物納米材料暴露晶面對其磁性的貢獻。基於第一原理計算模擬不同晶面的磁矩耦合特性，並通過不同的材料製備工藝精確控制納米材料暴露不同指數的晶面，不同晶面暴露後其表層原子配位環境變化以及晶格畸變導致表面電子自旋磁矩大小及耦合方式的改變，從而誘發不同的納米磁性能。結合樣品的結晶度、形貌、尺寸、元素價態、配位環境以及缺陷特徵系統的研究過渡金屬氧化物的製備工藝對暴露晶面的影響以及由此導致的磁性能變化。通過本項目的實施，獲得控制過渡金屬氧化物納米磁性能的有效方法，從原子和電子尺度上分析暴露晶面內原子排布和電子自旋所誘發的納米材料磁性能的變化規律，揭示納米磁性起源以及磁耦合機制，並在第一原理計算模擬的基礎上建立表層電子自旋與納米磁性之間的理論模型。

結題摘要

納米磁性是研究具有特定納米結構的材料的磁學現象的一門學科。磁性的本質取決於電子不同自旋的耦合，它依賴於磁性離子間的配置環境。在納米級別的材料中，表面原子或離子的配置環境發生改變，會誘導電子的重新分布，重新分布的電子產生不同的自旋耦合態，導致材料的本徵磁性被覆蓋或被替換。高比表面積是納米晶體的最獨特的特徵之一，其在暴露的表面上存在大量晶體對稱性遭到破壞的原子。納米顆粒表面層上的磁矩由於缺少周圍磁矩的嚴格限制，相比較核心部分的磁矩會出現更加豐富的耦合模式，因此，納米粒子表面磁矩成為影響納米晶體磁性能的主要角色。作為一種具有變價金屬離子的氧化物，Co3O4中的Co2+和Co3+離子在不同配置環境下，貢獻不同的有效磁矩。其納米材料暴露的晶面不同時，相應的最外層離子數目以及它們的配置環境都會發生改變。基於該特性，通過研究暴露不同晶面的Co3O4納米材料的磁性能，有助於我們從原子層面上理解Co3O4納米磁性改性的基本原則，也為晶面效應調控納米磁性提供可行的方案。納米材料由於顆粒尺寸減小至納米尺度，從而具有了不同於巨觀塊體材料的性能。納米磁性材料已在磁記錄介質，藥物載體，核磁共振成像和催化方面有著廣泛而實際的套用，但對於納米磁性的起源，人們卻沒有統一的認識。人們將其來源主要分為：缺陷誘導、尺寸效應、元素摻雜以及表面效應。由於缺陷分布和顆粒尺寸的角度而言，由於缺陷和磁矩排布的不確定性，不能僅僅通過缺陷和顆粒尺寸準確判斷納米磁性的來源。磁性的本質取決於磁性離子間的短程相互作用，其依賴於磁性離子間的鍵長、鍵角以及配置環境，這些都與材料表面有很大關聯。在納米材料中，由於比表面積的急劇增大，表面效應引起的材料性能的變化越來越明顯，因此，納米材料的磁性行為可以歸因於納米顆粒表面及界面原子的磁矩分布、耦合方式與納米顆粒內部磁性之間的相互作用。同時，摻雜作為調控納米磁性的一種有效手段，其在操作層面較為方便，並且摻雜原子的種類，濃度可根據設計進行多樣的選擇，豐富了納米磁性的研究材料。