基于电子全息技术的纳米磁性材料微观磁结构和性能的研究

摘要

磁性纳米颗粒具有广泛的应用前景，如磁流体、化学反应催化剂、生物医学、磁数据存储等方面。对于纳米材料的磁性能表征我们一般侧重于对集合体的表征，如磁滞回线等，测量的对象是一个集合体，测量结果是平均效应，颗粒的形状、尺寸、大小分布、结晶构造、成分等都会引起颗粒磁性能的变化，很难通过集合体磁性能测量确定实验现象背后的物理本质。洛伦兹透射电子显微镜以及电子全息技术因其超高的空间分辨率能为纳米颗粒的磁性能评价能提供更多信息，如颗粒的单多磁畴状态、颗粒之间的静磁相互作用。如果能够直接观测到颗粒的微观磁畴结构，并讨论颗粒间交换耦合、静磁相互作用，既对纳米颗粒的磁学基础研究，又对磁性纳米颗粒的应用将有非常重要的意义。
　　本论文中利用洛伦兹透射电子显微镜以及电子全息技术完成对磁性纳米颗粒的微观磁结构表征调试工作，在纳米尺度内成功定量地得到了磁性纳米颗粒、纳米线内部磁结构;然后利用此技术对磁性纳米颗粒、纳米线样品进行观测。
　　在对约15纳米直径钴纳米线进行了微观磁结构的表征证明了其强的铁磁性。通过使用离轴电子全息技术，准确的表示出了钴铜多层纳米线中可能存在的磁状态，平行或反平行，表明此技术对于磁性纳米线磁化状态、磁化反转机制的研究具有确实的可行性。通过利用电子全息技术对钴镍合金微球进行表征，解释了表面结构对微波吸收性能的影响:刺和花瓣作为偶极子在电磁场的作用下会产生杂散磁场，所有偶极子共同与入射电磁波作用，电磁波能量被转换为其它形式的能量提高微波吸收能力。用电子全息直观的表征出了表面结构之间的偶极作用，说明电子全息技术可以用来表征吸波材料的微波吸收性能。
　　本文还通过对不同形状Fe3O4磁性纳米颗粒微观磁结构分析，说明磁性纳米颗粒的微观磁结构状态由颗粒的形貌、晶体结构、颗粒相互作用共同决定，此状态的总自由能最小。通过对Fe3O4纳米盘进行了磁结构分析，解释了Fe3O4纳米盘的比吸收率高于各向同性纳米颗粒的原因:由纳米盘独特的形状各向异性使纳米盘随着外场方向改变时发生平行外场的旋转。
　　本论文最后对磁性纳米纤维原位磁化的电子全息实验做了尝试，表明洛伦兹透射电镜在磁学材料表征的应用前景:利用电子全息实现磁场作用下的原位观察研究纳米磁性材料磁化机制。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 磁性及纳米磁性材料

1．1．1 磁性材料

1．1．2 基本概念

1．1．3 磁化和磁化曲线

1．2 磁性材料的表征

1．2．1 磁性能表征手段

1．2．2 纳米磁性材料的表征

1．3 本论文选题背景及研究内容

1．3．1 选题意义

1．3．2 国内外研究现状

1．3．3 研究内容与方法

2 洛伦兹透射电子显微镜和离轴电子全息技术

2．1 透射电子显微镜

2．1．1 透射电子显微镜发展历史及科学意义

2．1．2 透射电子显微镜的结构介绍

2．2 主要测试分析方法

2．2．1 电子衍射

2．2．2 高分辨电子显微术

2．2．3 洛伦兹电子显微术

2．2．4 离轴电子全息技术

3 洛伦兹透射电镜及离轴电子全息的调试

3．1 洛伦兹透射电子显微镜的调试

3．2 电子全息的调试

3．2．1 电子全息技术表征磁性纳米颗粒理论基础

3．2．2 基于洛伦兹透射电镜的离轴电子全息调试

4 磁性纳米材料微观磁结构分析

4．1 钴镍合金吸波性能的研究

4．2 Co磁性纳米线微观磁结构分析

4．3 不同形状及尺寸的Fe3O4磁性纳米颗粒微观磁结构分析

4．3．1 Fe3O4磁性纳米颗粒

4．3．2 Fe3O4磁性纳米盘

4．4 磁性纳米纤维微观磁结构分析

4．4．1 CoFe2O4磁性纳米纤维微观磁结构分析

4．4．2 NiFe2O4单颗粒链磁性纳米纤维微观磁结构原位磁化过程分析

5 总结

参考文献

在校期间的科研成果

致谢