有序磁性納米結構材料的研究

[摘要] 有序磁性納米結構材料是制備磁性納米器件的基礎。本文評述了有序磁性納米結構材料的性質及應用，并討論了其制備技術及存在的問題，探討了有序磁性納米結構材料制備技術的未來發(fā)展方向。

[關鍵詞] 納米材料 有序磁性 制備技術 自組裝制備

一、有序磁性納米結構性質及應用

有序磁性納米結構是以納米尺度的磁性物質結構單元為基礎，按一定的規(guī)律構筑或營造的一種新的體系，這些基本結構單元主要包括磁性的納米微粒、納米管、納米線、納米棒、納米絲等。磁性納米材料雖然具有很多獨特的性質，但無序的排列并不能在宏觀上體現(xiàn)這些性質;而有序的磁性納米結構，在宏觀聚集體中以有序的幾何構型，使宏觀的磁性效應能夠得到很好的控制和修飾。從實際應用講，有序磁性納米結構也是制作磁性隨機存取存儲器、高密度磁記錄介質、磁開關和微機械傳感器等微小型器件的基礎，因此有序磁性納米結構的制備技術成為發(fā)展磁性納米器件的關鍵。

二、有序磁性納米結構制備技術研究現(xiàn)狀

1.平板印刷術

平板印刷術是制備有序磁性結構傳統(tǒng)的方法。它是在外層掩膜的基礎上利用不同的光源輻照適當?shù)墓饪棠z而形成二維或三維的圖案，再利用濕法或干法刻蝕術或者后續(xù)的沉積技術等一系列手段來實現(xiàn)圖案的轉移過程。輻照光源的波長決定了平板印刷術的分辨率，因此要得到不同特征尺寸和幾何形狀的圖案結構，可以通過使用具有不同波長的光源，比如紫外可見光、電子束、離子束和X射線等。目前用于制備磁性有序納米結構的印刷術中較常見的主要有:電子束印刷術、X射線印刷術、干涉或全息印刷術等以及基于原子力顯微鏡和掃描隧道顯微鏡一些印刷術，比如浸筆納米印刷術等。

2.自組裝法

自組裝是生命最本質的內容之一，如人體體內的蛋白質、核酸等復雜的超分子系統(tǒng)正是通過自組裝而形成的。在化學合成方法中，自組裝法是一種獲得磁性有序納米結構的最有效的方法。所謂自組裝，是指原子在底物上或溶液中自發(fā)地排列成有序的空間結構。自組裝過程是不需要人為干涉介入，而溶液中的原子、分子、分子團和組件自動排列成有序的一維、二維甚至三維空間結構的過程，其主要原理是通過分子間力的協(xié)同作用和空間互補，如靜電吸引、氫鍵、疏水性締合等來形成一定結構的體系。自組裝過程的關鍵是界面分子識別，它是兩個自組裝的分子通過一種界面驅動力來產(chǎn)生特定結合的過程，這種驅動力可以通過加入額外連接分子的方式實現(xiàn)，比如表面活性劑。其驅動力包括氫鍵、配位鍵、堆積效應、范德華力、靜電力和長程作用等。根據(jù)合成原理的不同，自組裝法可以分為蒸發(fā)溶劑組裝法、模板誘導組裝法和外界磁場誘導自組裝法。

在蒸發(fā)溶劑組裝法中，形成有序結構的驅動力主要是范德華力，因此蒸發(fā)溶劑組裝法的關鍵點為:兩個結合單元、界面層分子(表面活性劑)，以及組裝過程中的驅動力過大造成的粒子團聚問題，因此粒子間的排斥力和不可逆聚合力應該在一定的范圍之內，但是磁性納米結構材料往往由于自身磁性偶極子的相互作用而產(chǎn)生不可控的團聚，很難通過化學合成的方法獲得穩(wěn)定的有序納米磁性結構材料。

模板自組裝合成的原理很簡單，設想存在一個一定尺寸(納米)的孔，讓材料的成核和生長就在該孔里發(fā)生，則在反應完畢后，孔的大小和形狀就決定了產(chǎn)物的尺寸和結構，這些孔就可以理解為模板合成法中的模板。具有納米孔道陣列的多孔氧化鋁、介孔分子篩和多孔SiO2等是應用最廣泛的模板，常用來制備磁性納米線或棒的有序陣列結構。模板法來制備有序磁性納米結構材料可以有效的排除磁性材料自身的磁相互作用引起的團聚等現(xiàn)象;一些人造或天然的高分子材料，如聚苯乙烯、蛋白質和DNA等也也被用來作為制備磁性有序納米結構的模板。模板合成技術可以同時解決顆粒尺寸、形狀控制和分散穩(wěn)定性問題，因此利用和設計模板就顯得尤為重要。

通常可以通過調節(jié)外界溫度、氣氛、壓力等來控制磁性納米粒子的合成及組裝特性，但是為了更好的人為操縱納米粒子的自組裝行為，磁場同樣也應該可以用于操縱納米材料的組裝行為并構建有序的磁性納米結構。磁場誘導自組裝法就是在合成過程中，外加磁場對合成過程中磁性粒子的運動和組裝特性進行人為干預。磁場誘導合成有序磁性納米結構的研究在國際上還較少，國內熊等在這方面開展了一些工作，其面臨的主要問題是磁性納米粒子的穩(wěn)定性和粒子之間的不可逆團聚，通過在其表面包覆“惰性”材料來形成所謂的殼層結構，這些殼層材料的存在不僅可以解決磁性納米粒子的穩(wěn)定性問題以及不可逆團聚問題，而且可以一定程度地調節(jié)磁性納米粒子間的相互作用，在結構和性質調節(jié)都有突破。

利用平板印刷術來制備有序磁性納米結構已經(jīng)得到現(xiàn)代化生產(chǎn)的應用，但是設備昂貴、工藝流程復雜以及分辨率較低等因素制約了其發(fā)展，而利用各種自組裝技術來制備得到有序磁性納米結構材料正逐漸受到研究人員的關注，但由于磁性納米粒子本身磁相互作用容易破壞結構的有序性，因此自組裝技術還停留在研究階段，預期未來可以廣泛地采納到有序磁性納米結構材料的組裝現(xiàn)代化應用上去。

有序的磁性納米結構不僅具有很重要的基礎研究價值，同時也是制作磁存儲器等微小型器件的基礎。因此探索獲得有序磁性納米結構的新方法，揭示有序磁性納米材料的微觀作用機制對進一步器件的應用有著重要的意義。

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