| 题名 | 纳米材料磁性来源与调控 |
| 作者 | 唐长林 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2009-05-25 |
| 授予单位 | 中国科学院福建物质结构研究所 |
| 授予地点 | 福建物质结构研究所 |
| 导师 | 李广社 |
| 关键词 | 镍基化合物 单层石墨 氧化锡 纳米材料 磁性 |
| 其他题名 | The origin and design of magnetism in nanomaterials |
| 学位专业 | 凝聚态物理 |
| 中文摘要 | 磁性的来源及性能调控一直是研究和发展磁性材料的基础，纳米技术的发展为新型磁性材料的设计与应用提供了新的发展空间。古老的磁性理论认为，只有含未满d或f电子的磁离子的化合物才能出现铁磁性，并且这种磁性能可以通过掺杂，晶体结构的改变等得到调控。当材料尺寸减小到纳米尺度时，表面效应，尺寸效应将作为新的物理参量来调节各种性能，此时探索纳米效应与磁性的本质联系将显得尤为重要。本文将针对以下两个问题展开讨论：其一，不含d或f电子的主族元素化合物，在纳米化后能否实现及如何实现铁磁性？其二，含过渡族离子的磁性材料，其纳米化可带来什么新的磁性能变化？通过研究，我们得到的结论如下： （1）通过纳米材料的表面效应，主族元素化合物的s，p电子可以出现铁磁性基态，这种现象得到了实验，第一原理计算及从Hamiltonian量出发解析求解磁基态三个方面的证实。首先，在实验上，我们发现纳米SnO2的表面化学水脱附后，材料将从抗磁性转变为铁磁性。这种铁磁性来源于化学水脱附过程中纳米材料表面残留的缺陷态。通过热重-质谱，EPR，UV-visible吸收谱及阻抗测试，证实了氧缺陷态的产生。在倒空间，缺陷能级位于导带下方，具有局域电子（类似于3d电子）特征，符合第一原理计算结果。其次，为了论证纳米结构中局域态与磁性基态的关系，尤其是解析地阐述其磁基态相变的物理本质，我们利用Dirac方程方法研究了单层石墨（graphene）量子点。发现磁性基态与Zigzag边界的表面态相关，取决于表面态的波函数、能隙，同时还取决于格点表面态电子Hubbard作用项。磁性基态与量子点的尺寸相关。随着尺寸增大到某一临界值，磁基态开始出现，继续增大到某一饱和值，磁性基态自旋分布趋向于稳定。上述临界值和饱和值可以通过Dirac方程求解，在两能级模型下给出具有清晰物理图像的判断标准。 （2）含3d电子的Ni基材料的磁性可以在纳米尺度实现调控。首先，我们设计通过尺寸效应调控反铁磁性β-Ni(OH)2的磁性。我们合成了具有片层结构的准二维β-Ni(OH)2，研究发现该材料表现出强铁磁性。通过实验和理论计算证明其剩余磁矩符合理想双子晶格模型下的估算值，与Neel在无规模型下预测结果相差甚远。其次，我们通过在β-Ni(OH)2中插入NO3-阴离子进而得到了α-Ni(OH)2微米球。由于NO3-使材料在c轴方向晶格迅速膨胀，这样偶极作用的贡献大于交换作用，从而出现了铁磁性转变，其磁化强度远大于块体及纳米β-Ni(OH)2。再其次，通过热处理上述α-Ni(OH)2微米球，得到了NiO微米球，这种球型NiO由微小的一级纳米颗粒组装而成。与未组装NiO纳米颗粒相比较，由于NiO微米球的一级颗粒界面存在强相互作用，其矫顽力大小，拐点尺寸大小及分布都减小。这可能是因为硬团聚使界面自旋离子之间出现新的交换作用，降低了表面磁离子的各向异性能，同时使单磁畴团聚后变成了新的多畴结构。最后，我们提出一种新型的绿色湿化学方法来合成过渡族纳米金属磁性材料。传统合成方法离不开活泼的强还原剂，如N2H4，NaBH4等。在我们的实验中，仅采用乙醇作为还原剂，在类似于燃料电池的微型反应模型下，制备出纳米金属Ni，Cu，Co，Sn等及其合金，该方法可以发展成为一种普适的方法，用来合成较活泼的过渡金属纳米材料。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2013-05-09 |
| 页码 | 140 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.fjirsm.ac.cn/handle/350002/7632]  |
| 专题 | 福建物质结构研究所_中科院福建物质结构研究所_学位论文 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 唐长林. 纳米材料磁性来源与调控[D]. 福建物质结构研究所. 中国科学院福建物质结构研究所. 2009. |
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