以卟啉基金属聚合物为前体合成多功能磁性纳米材料及其应用研究

摘要

金属纳米材料由于其纳米级尺寸而具有很多独特的物化特性，从而引起了众多科研人员的广泛关注。金属纳米粒子已经在很多领域得到广泛应用，如永磁体，高密度磁存储器件，磁共振成像，药物运输，生物传感器，可回收催化剂等。近年来，科研人员又通过一些新方法将其应用到一些新兴领域，如以异核双金属聚合物为前体，通过纳米压印和高温热解的方法，制备磁性金属合金纳米阵列结构，从而实现高密度信息垂直磁记录；另外，由于金属纳米粒子的磁性质和表面等离子效应，科研人员通过将金属纳米粒子掺杂到OLED和太阳能电池功能层中，有效地改善了器件性能。其中需要特别说明的是，由于金属合金纳米粒子具有独特的组成和结构使其具有一些单金属不具备的性能。就金属合金纳米粒子的制备方法来说，主要通过将含不同金属的前体物理混合后，通过高温可控分解来制备合金纳米粒子，但这种方法制备的纳米粒子粒径不可控且不稳定，也容易发生团聚、烧结等问题。本论文设计并合成一系列异核双金属聚合物和单核金属聚合物，并以这些聚合物或者其混合体为前体，利用纳米压印光刻技术制备位元规则介质，用于信息高密度磁存储体系；同时也将以所合成的金属聚合物为单一前体，通过高温可控分解的方法制备表面碳包覆的磁性纳米粒子，再尝试将这些磁性纳米粒子掺杂到OLED中，探究其在OLED中的应用和作用机制。本论文主要研究内容如下：
　　（1）设计并合成卟啉基金属聚合物。在这里，我们利用卟啉化合物的模板效应，合成一系列金属卟啉化合物（DETPP-Fe，DETPP-Co和DETPP-Ni），同时合成了含金属Pt的配体和芴基配体，最后，通过将金属卟啉化合物和这些配体分别进行偶联反应，合成了一系列卟啉基异核双金属聚合物（DETPP-P-FePt，DETPP-P-CoPt和DETPP-P-NiPt）和单核金属聚合物(DETPP-P-Fe，DETPP-P-Co和DETPP-P-Ni)。并通过核磁共振（NMR）、紫外可见吸收光谱（UV-Vis）、红外光谱(FT-IR)和热重分析（TGA）等测试手段对上述所合成的聚合物进行结构及性能表征；
　　（2）以上述所合成的金属聚合物为前体，通过高温可控分解，制备表面碳包覆纳米粒子（NP-Fe@C，NP-Co@C，NP-Ni@C，NP-FePt@C，NP-CoPt@C和NP-NiPt@C）。并通过粉末 X射线衍射（PXRD）、透射电子显微镜（TEM）、电子散射 X-射线能谱仪（EDS）和振动样品磁强计（VSM）等测试手段，对所合成的纳米材料进行结构、组分及性能表征。测试结果表明，NP-FePt@C和 NP-CoPt@C具有L10相晶体结构，NP-Fe@C和NP-Co@C为fcc相晶体结构，而NP-Ni@C为简单立方结构；通过TEM测试得知，上述所合成的纳米粒子NP-FePt@C，NP-CoPt@C，NP-NiPt@C，NP-Fe@C，NP-Co@C和NP-Ni@C的平均粒径大小分别为9.9nm，3.4nm，7.7nm，11.8 nm，13.2 nm和15.7 nm，且粒径分布较窄；通过VSM测试分析发现，NP-FePt@C在室温下矫顽力为0.54 T（300 K），低温下矫顽力达到1.12 T(5 K)，NP-CoPt@C在室温下矫顽力为0.54 T（300 K），低温下矫顽力达到2.75T(5 K)，因此这两种磁性合金纳米材料将有望应用于高密度磁存储器件中；而NP-Fe@C，NP-Co@C和NP-Ni@C三种单金属纳米粒子则表现出超顺磁性；
　　（3）以所合成的卟啉基金属聚合物为前体，利用纳米压印光刻技术和高温可控分解方法，制备基于铁磁相合金纳米粒子的位元规则介质。在此通过将所合成的含 CoPt金属聚合物（DETPP-P-CoPt）和PS聚合物混合之后旋涂成膜，分别利用纳米点阵定义的AAO模板和纳米线阵定义的PDMS模板进行纳米压印，制备出周期为550 nm和100 nm的聚合物点阵列结构以及周期为550 nm的聚合物线阵列结构。这些聚合物阵列经过高温可控分解之后，其周期性结构没有发生明显的变化，因此该方法在超高密度信息磁存储器件中具有良好的应用前景；
　　（4）我们初步尝试将所合成的 NP-CoPt@C磁性合金纳米粒子掺杂到 OLED器件的空穴传输功能层中，利用该纳米粒子的表面等离子体效应和磁效应进行器件性能改善，并深入探究其作用机理。

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第一章 绪论

1.1 纳米材料概述

1.2 纳米材料性能

1.3 磁性纳米材料

1.4 磁性纳米材料的应用

1.5 本论文研究内容

第二章 卟啉基金属聚合物的合成及性能表征

2.1 引言

2.2 实验试剂和合成方法

2.3 卟啉基异核双金属和单金属聚合物的结构与性能表征

2.4 本章小结

第三章 表面碳包覆磁性纳米粒子的制备及表征

3.1 引言

3.2 表面碳包覆磁性纳米粒子的制备

3.3 表面碳包覆磁性纳米粒子的结构及性能表征

3.4本章小结

第四章 本论文所合成的卟啉基异核双金属聚合物和磁性纳米材料的应用研究

4.1 引言

4.2卟啉基金属聚合物在纳米压印光刻中的应用

4.3 磁性金属纳米粒子在有机电致发光器件中的应用

4.4 本章小结

第五章 结论与展望

5.1总结

5.2创新点

5.3展望

参考文献

致谢

硕士期间发表的论文及专利

发表论文

发明专利