Nabehandelingsmethode voor de synthese van monodisperse binaire FePt-Fe3O4-nanodeeltjes

Resultaten en discussie

Een typisch SAED-patroon van de gesynthetiseerde FePt-nanodeeltjes wordt getoond in Fig. 1(a₁ ); het werd geïndexeerd als ringen van fcc-FePt (111) en (220) vlakken. Het SAED-patroon na nabehandeling bij 200 °C wordt getoond in Fig. 1(a₂ ). Er zijn duidelijk twee verschillende ringen in de nabehandelde monsters; een is afkomstig van fcc-Fe₃ O₄ (200) en de andere van (311). De XRD-patronen van de gesynthetiseerde en nabehandelde nanodeeltjes worden getoond in Fig. 1(b₁ –b₃ ). De diffractiepieken van de gesynthetiseerde FePt-nanodeeltjes worden geïndexeerd als een ongeordende fcc-fase (Fig. 1b₁ ), wat goed overeenkomt met de SAED-resultaten en die van andere onderzoeken [6, 15]. De diffractiepiekintensiteiten van de fcc-Fe₃ O₄ fase nam toe wanneer de temperatuur werd verhoogd van 150 ° C tot 200 ° C. Zoals eerder gemeld [12], hangt de intensiteit van de pieken in de XRD-patronen af ​​van het gehalte aan fcc-Fe₃ O₄ . Om het gewichtspercentage van de fcc-Fe₃ . kwantitatief te analyseren O₄ in de nabehandelde nanodeeltjes werd een standaard Rietveld-methode toegepast om de patronen te passen. In Afb. 1 (b₂ ) en (b₃ ), de rode lijnen zijn de passende patronen en de blauwe lijnen zijn de verschilpatronen tussen de ruwe en passende patronen. De gepaste patronen kwamen duidelijk goed overeen met de gemeten patronen (zwarte lijn), de fcc-Fe₃ O₄ het gehalte neemt toe van 42,6 tot 82,9 gew.% wanneer de nabehandelde temperatuur stijgt van 150 tot 200 °C. Deze resultaten geven aan dat het overtollige ijzer wordt geoxideerd tot fcc-Fe₃ O₄ nanodeeltjes tijdens de nabehandeling en de inhoud van de fcc-Fe₃ O₄ fase nam toe wanneer de temperatuur na de behandeling verder werd verhoogd tot 200 °C.

Geselecteerde oppervlakte-elektronendiffractiepatronen van gesynthetiseerde (a₁ ) en 200 °C nabehandeld (a₂ ) nanodeeltjes. Röntgendiffractiepatronen van gesynthetiseerde en nabehandelde nanodeeltjes ((b₁ ) zoals gesynthetiseerd; (b₂ ) 150 °C nabehandeld; (b₃ ) 200 °C nabehandeld)

Fig. 2 toont de TEM-afbeeldingen van de gesynthetiseerde en nabehandelde nanodeeltjes. In figuur 2a zijn de gesynthetiseerde FePt-nanodeeltjes zwart en monodispers. Na nabehandeling bij 150 ° C, zoals weergegeven in figuur 2b, blijven de nanodeeltjes monodispers en aggregeren ze niet; het is opmerkelijk dat sommige grijze deeltjes worden waargenomen. Toen de nabehandelingstemperatuur werd verhoogd tot 200 ° C (figuur 2c), zijn de waargenomen nanodeeltjes nog steeds een combinatie van zwarte en grijze deeltjes. De grootte van de grijze nanodeeltjes is echter groter dan die van de grijze nanodeeltjes die nabehandeld zijn bij 150 °C. Een TEM-beeld (HRTEM) met hoge resolutie van de nanodeeltjes in de witte doos van figuur 2c wordt getoond in figuur 2d. De afstand tussen de roosterranden in de grijze nanodeeltjes is 0,299 nm, wat overeenkomt met de roosterafstand van fcc-Fe₃ O₄ (200). De interfererende afstand in de zwarte nanodeeltjes is ongeveer 0,221 nm, wat overeenkomt met de roosterafstand van fcc-FePt (111). De TEM- en XRD-resultaten geven dus aan dat de zwarte nanodeeltjes fcc-FePt zijn en de grijze nanodeeltjes fcc-Fe₃ O₄ . Het licht-schaduwcontrast van FePt en Fe₃ O₄ nanodeeltjes is anders in de TEM-afbeeldingen en is vergelijkbaar met die van de halterachtige FePt-Fe₃ O₄ nanostructuur [12]. De monodisperse grijze Fe₃ O₄ nanodeeltjes konden alleen worden gevonden in de nabehandelde monsters, dit betekent dat de nabehandelingsmethode het aggregaat van nanodeeltjes niet zou induceren en het is een effectieve manier om het monodisperse binaire FePt-Fe₃ te produceren O₄ nanodeeltjessysteem.

Transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) beelden van gesynthetiseerde nanodeeltjes (a ), en nanodeeltjes na nabehandeling bij 150°C (b ) en 200 °C (c ). d TEM-afbeelding met hoge resolutie van het gebied binnen de witte doos in (c )

Naar kwantitatieve analyse, de effecten van de temperatuur na de behandeling op de groei van FePt en Fe₃ O₄ nanodeeltjes, de korrelgrootte van nanodeeltjes geproduceerd in verschillende situaties werd geteld. De korrelgrootteverdeling van zwarte FePt-nanodeeltjes wordt getoond in Fig. 3(a_1– a₃ ), komen goed overeen met de Gauss-functie en bevinden zich in hetzelfde bereik. De gemiddelde korrelgrootte van FePt-nanodeeltjes is 3,56 ± 0,41, 3,58 ± 0,38 en 3,57 ± 0,43 nm voor respectievelijk de gesynthetiseerde, 150 ° C nabehandelde en 200 ° C nabehandelde monsters. De korrelgrootte van alle zwarte FePt-nanodeeltjes ligt dicht bij 3,6 nm, wat aangeeft dat de nabehandelingsmethode de korrelgrootte van de FePt-nanodeeltjes niet noemenswaardig beïnvloedt. De korrelgrootte van grijs Fe₃ O₄ nanodeeltjes namen toe van 4,14 ± 0,81 nm (Fig. 3(b₁ )) tot 6,60 ± 0,78 nm (Fig. 3(b₂ )) wanneer de nabehandelingstemperatuur steeg van 150 tot 200 °C. Als de monodisperse FePt en Fe₃ O₄ sferische nanodeeltjes zijn uniform verdeeld (zoals weergegeven in Fig. 2), de volumefractie van Fe₃ O₄ in de binaire FePt-Fe₃ O₄ nanodeeltjessysteem is geteld door ten minste vijf verschillende zones. Het resultaat laat zien dat de volumefractie van Fe₃ O₄ neemt toe van 64,3 ± 9,7% tot 92,5 ± 6,1% wanneer de nabehandelde temperatuur stijgt van 150 tot 200 °C, wat in wezen in overeenstemming is met het gewichtspercentage van de XRD-resultaten. Dit betekent dat het afstemmen van de nabehandelingstemperatuur een effectieve manier is om de groei van het overtollige ijzer en de korrelgrootte van de Fe₃ te beheersen. O₄ nanodeeltjes in de monodisperse binaire FePt-Fe₃ O₄ nanodeeltjessysteem.

Korrelgrootteverdeling van zwarte FePt-nanodeeltjes ((a₁ ) zoals gesynthetiseerd; (a₂ ) 150 °C nabehandeld; (a₃ ) 200 °C nabehandeld) en grijs Fe₃ O₄ nanodeeltjes ((b₁ ) 150 °C nabehandeld; (b₂ ) 200 °C nabehandeld)

Figuur 4 toont de XPS-analyse van de gesynthetiseerde nanodeeltjes en die behandeld bij 200 °C. Het Fe 2p-signaal is samengesteld uit Fe 2p_3/2 en Fe 2p_1/2 , en de bindingsenergieën van deze twee pieken in de gesynthetiseerde FePt-nanodeeltjes waren respectievelijk 710,2 en 723,7 eV (Fig. 4(a₁ )). Deze waarden zijn hoger dan die van puur Fe (710 en 723 eV) vanwege de binding tussen Fe en Pt in een enkele cel [13]. Na nabehandeling bij 200 °C nam de Fe 2p-bindingsenergie toe tot 710,5 en 723,8 eV, zoals weergegeven in figuur 4(b₁ ); dit ligt dichter bij de waarden voor Fe₃ O₄ (710,6 en 724,1 eV) [16]. De bindingsenergie van O 1 van de gesynthetiseerde FePt-nanodeeltjes was 532,3 eV (Fig. 4(a₂ )), wat overeenkomt met geabsorbeerd H₂ O of O₂ aan de oppervlakte. Een andere O 1 s-piek bij 530,7 eV werd gevonden in de monsters die nabehandeld waren bij 200 °C (Fig. 4(b₂ )), die werd toegeschreven aan de O ²⁻ ionen als gevolg van de oxidatie van Fe [13]. Er werden geen satellietpieken waargenomen in de Fe 2p-spectra, wat erop wijst dat de Fe in de Fe₃ zit O₄ , niet de Fe₂ O₃ [17]. Dit komt overeen met de XRD- en TEM-resultaten. Het XPS-spectrum van Pt voor het gesynthetiseerde en 200 °C-behandelde monster wordt getoond in Fig. 4(a₃ ) en Afb. 4(b₃ ). Het Pt 4f-gebied van XPS-spectra werd gekenmerkt door een typisch spin-orbit-doublet (4f_7/2 en 4f_5/2 ); hun bindingsenergie ligt respectievelijk in de buurt van 71,0 en 74,3 eV. De nabehandelingsmethode heeft geen effect op de bindingsenergie van Pt 4f.

Röntgenfoto-elektronenspectra van gesynthetiseerde nanodeeltjes ((a₁ ):Fe 2p, (a₂ ):O 1s, (a₃ ):Pt 4f) en nanodeeltjes nabehandeld bij 200 °C ((b₁ ):Fe 2p, (b₂ ):O 1s, (b₃ ):Punt 4f)

De magnetische hysteresislus-lussen bij kamertemperatuur (298 K) van gesynthetiseerde FePt-nanodeeltjes en 200 °C-behandeld binair FePt-Fe₃ O₄ nanodeeltje wordt getoond in Fig. 5. De magnetische hysteresislus van gesynthetiseerde FePt-nanodeeltjes is lineair en de dwang is gesloten tot nul, wat aangeeft dat de FePt-nanodeeltjes superparamagnetisch zijn bij kamertemperatuur. Zoals eerder gemeld, zouden de ongeordende fcc-structuur en de kleinere korrelgrootte leiden tot het superparamagnetische gedrag van FePt-nanodeeltjes [13]. De zeer kleine maar niet-nul coërciviteit (5,7 Oe) wordt waargenomen voor de monodisperse binaire FePt-Fe₃ O₄ nanodeeltjes bij kamertemperatuur. Normaal gesproken is de Fe₃ O₄ nanodeeltjes zijn superparamagnetisch wanneer de korrelgrootte kleiner is dan 20 nm, [18] sommige onderzoekers ontdekten ook dat de coërciviteit van Fe₃ O₄ nanodeeltjes constant op ongeveer 5 Oe in het bereik van 8 tot 15 nm [19]. In dit onderzoek heeft de monodisperse binaire FePt-Fe₃ O₄ systeem is gecombineerd van 17,1 gew.% 3,6 nm FePt-nanodeeltje en 82,9 gew.% 6,6 nm Fe₃ O₄ nanodeeltjes, kan de interactie tussen die twee soorten verschillende nanodeeltjes ook leiden tot het coërciviteitsresultaat dat niet nul is. Het FePt-nanodeeltje met coërciviteit nul transformeert naar niet-nul na nabehandeling bij 200 °C, wat eens te meer bewijst dat de Fe₃ O₄ nanodeeltjes worden gegenereerd met behulp van de nabehandelingsmethode.

Magnetische hysteresisluslussen op kamertemperatuur van gesynthetiseerde en 200 °C-behandelde nanodeeltjes

De Fe/Pt-verhouding in de gesynthetiseerde en 200 °C-behandelde monsters kon worden berekend via de pieken van Fe 2p en Pt 4 f in Fig. 4. Uit de analyse bleek dat het Fe-gehalte in XPS-monsters (nanodeeltjes-hexaaninkt ) waren respectievelijk 88,6 en 90,5%. De TEM-EDS-resultaten geven echter aan dat de Fe-tellingen in de FePt-nanodeeltjes van zoals gesynthetiseerd en nabehandeld bijna hetzelfde waren (72,8 en 72,3%) en lager dan de Fe-tellingen in de FePt-hexaan-inkt en de binaire FePt-Fe₃ O₄ nanodeeltjes systeem. We hebben daarom afgeleid dat het overtollige ijzer tijdens de synthese van de FePt-nanodeeltjes tijdens de synthese van de FePt-nanodeeltjes is getransformeerd van damp naar vloeistof (in de FePt-hexaan-inkt) in de reflux-, koel- en wasprocessen. De aard van de overtollige ijzersoorten in de FePt-hexaan-inkt is nog steeds onduidelijk, maar het is zeer waarschijnlijk dat ze worden gecombineerd met oppervlakteactieve stoffen om de stabiliteit van de FePt-nanodeeltjes te waarborgen [10, 11]. De oxidatie van de overtollige ijzers, of de groei Fe₃ O₄ nanodeeltjes, is sterk afhankelijk van de temperatuur en de atmosfeer. Onder het zeer zuivere argonsysteem is de Fe₃ O₄ nanodeeltjes kunnen niet bij verschillende temperaturen worden verkregen. En de FePt-oplossing zou zelfs bij 100 °C onder vacuüm uitdrogen. Het is gemakkelijk om monodispers binair FePt-Fe₃ . te verkrijgen O₄ nanodeeltjessysteem in de lucht, de Fe₃ O₄ nanodeeltjes worden gegenereerd wanneer de temperatuur boven 100 ° C is, maar als de temperatuur zo hoog is als 250 ° C, zou de FePt-oplossing ook uitdrogen. De korrelgrootte en inhoud van Fe₃ O₄ nanodeeltje in het binaire FePt-Fe₃ O₄ nanodeeltjessysteem worden verhoogd wanneer de temperatuur na de behandeling stijgt van 150 tot 200 °C, wat zou worden veroorzaakt door de temperatuurversterkte diffusiegroei van ijzers in FePt-hexaan-OAm-oplossing.