단분산 이원 FePt-Fe3O4 나노입자 합성을 위한 후처리 방법

결과 및 토론

합성된 FePt 나노입자의 전형적인 SAED 패턴은 그림 1(a₁ ); fcc-FePt (111) 및 (220) 면의 링으로 인덱싱되었습니다. 200°C에서 후처리 후 SAED 패턴은 그림 1(a₂ ). 후처리된 샘플에는 분명히 두 개의 서로 다른 고리가 있습니다. 하나는 fcc-Fe₃에서 비롯됩니다. O₄ (200) 및 (311)의 다른 하나. 합성된 나노입자와 후처리된 나노입자의 XRD 패턴은 그림 1(b₁ –b₃ ). 합성된 FePt 나노 입자의 회절 피크는 무질서한 fcc-상으로 표시됩니다(그림 1b₁ ), SAED 결과 및 다른 연구의 결과와 잘 일치합니다[6, 15]. fcc-Fe₃의 회절 피크 강도 O₄ 온도가 150°C에서 200°C로 증가할 때 위상이 증가했습니다. 이전에 보고된 바와 같이[12], XRD 패턴에서 피크의 강도는 fcc-Fe₃의 함량에 따라 다릅니다. O₄ . fcc-Fe₃의 중량 백분율을 정량적으로 분석하려면 O₄ 후처리된 나노 입자에서 표준 Rietveld 방법을 적용하여 패턴을 맞추었습니다. 그림 1에서(b₂ ) 및 (b₃ ), 빨간색 선은 적합 패턴이고 파란색 선은 원시 패턴과 적합 패턴 간의 차이 패턴입니다. 분명히 피팅된 패턴은 측정된 패턴(검정색 선)과 잘 일치했습니다. fcc-Fe₃ O₄ 후처리 온도가 150°C에서 200°C로 상승하면 함량이 42.6에서 82.9wt.%로 증가합니다. 이 결과는 과잉 철이 fcc-Fe₃로 산화되었음을 나타냅니다. O₄ 후처리 중 나노입자, fcc-Fe₃ 함량 O₄ 처리 후 온도가 200°C로 더 증가하면 위상이 증가합니다.

합성된 상태의 선택된 영역 전자 회절 패턴(a₁ ) 및 200°C 후처리(a₂ ) 나노 입자. 합성 및 후처리된 나노입자의 X선 회절 패턴((b₁ ) 합성된 그대로; (b₂ ) 150°C 후처리; (b₃ ) 200°C 후처리)

그림 2는 합성된 나노입자와 후처리된 나노입자의 TEM 이미지를 보여줍니다. 도 2a에서 합성된 FePt 나노입자는 흑색이고 단분산이다. 150°C에서 후처리한 후 그림 2b와 같이 나노입자는 단분산 상태를 유지하고 응집되지 않습니다. 일부 회색 입자가 관찰된다는 점은 주목할 만합니다. 처리 후 온도를 200°C로 높였을 때(그림 2c) 관찰된 나노 입자는 여전히 검은색과 회색 입자의 조합입니다. 그러나 회색 나노입자의 크기는 150°C에서 후처리된 회색 나노입자의 크기보다 큽니다. 그림 2c의 흰색 상자에 있는 나노 입자의 고해상도 TEM(HRTEM) 이미지는 그림 2d에 나와 있습니다. 회색 나노입자의 격자 무늬 사이의 거리는 fcc-Fe₃의 격자 간격에 해당하는 0.299nm입니다. O₄ (200). 검은색 나노 입자의 간섭 거리는 약 0.221nm로 fcc-FePt(111)의 격자 간격에 해당합니다. 따라서 TEM 및 XRD 결과는 흑색 나노입자가 fcc-FePt이고 회색 나노입자가 fcc-Fe₃임을 나타냅니다. O₄ . FePt와 Fe의 명암 대비₃ O₄ 나노 입자는 TEM 이미지에서 다르며 아령 모양의 FePt-Fe₃와 유사합니다. O₄ 나노구조 [12]. 단분산 회색 Fe₃ O₄ 나노입자는 후처리된 샘플에서만 발견될 수 있으며, 이는 후처리 방법이 나노입자의 응집을 유도하지 않으며 단분산 이원 FePt-Fe₃를 생성하는 효과적인 방법임을 의미합니다. O₄ 나노 입자 시스템.

합성된 나노입자의 투과전자현미경(TEM) 이미지(a ) 및 150°C에서 후처리 후 나노입자(b ) 및 200°C(c ). d (c의 흰색 상자 내부 영역의 고해상도 TEM 이미지 )

FePt와 Fe₃의 성장에 대한 후처리 온도의 영향을 정량적으로 분석 O₄ nanoparticles, 다른 상황에서 생성 된 nanoparticles의 입자 크기를 계산했습니다. 흑색 FePt 나노입자의 입도 분포는 Fig. 3(a_1– a₃ ), 가우스 함수와 잘 일치하며 동일한 범위에 위치합니다. FePt 나노입자의 평균 입자 크기는 합성된 샘플의 경우 3.56 ± 0.41, 3.58 ± 0.38 및 3.57 ± 0.43 nm이며, 150 °C 후처리 및 200 °C 후처리 샘플입니다. 모든 흑색 FePt 나노 입자의 입자 크기는 3.6nm에 가깝고, 이는 후처리 방법이 FePt 나노 입자의 입자 크기에 크게 영향을 미치지 않음을 나타냅니다. 그러나 회색 Fe₃의 입자 크기는 O₄ 나노 입자가 4.14 ± 0.81 nm에서 증가했습니다(그림 3(b₁ )) ~ 6.60 ± 0.78 nm(그림 3(b₂) )) 후처리 온도가 150°C에서 200°C로 증가했을 때. 단분산 FePt 및 Fe₃ O₄ 구형 나노입자가 균일하게 분포되어 있음(그림 2 참조), Fe₃의 부피 분율 O₄ 바이너리 FePt-Fe₃에서 O₄ 나노 입자 시스템은 최소 5개의 다른 영역을 통해 계산되었습니다. 결과는 Fe₃의 부피 분율이 O₄ 후처리 온도가 150°C에서 200°C로 상승할 때 64.3 ± 9.7%에서 92.5 ± 6.1%로 증가하며, 이는 본질적으로 XRD 결과의 중량 백분율과 일치합니다. 이는 후처리 온도를 조정하는 것이 과잉 철의 성장과 Fe₃ 입자 크기를 제어하는 ​​효과적인 방법임을 의미합니다. O₄ 단분산 이원 FePt-Fe₃의 나노 입자 O₄ 나노 입자 시스템.

흑색 FePt 나노입자의 입자 크기 분포((a₁ ) 합성된 그대로; (a₂ ) 150°C 후처리; (a₃ ) 200°C 후처리) 및 회색 Fe₃ O₄ 나노 입자((b₁ ) 150°C 후처리; (b₂ ) 200°C 후처리)

그림 4는 합성된 나노입자와 200°C에서 처리된 나노입자의 XPS 분석을 보여줍니다. Fe 2p 신호는 Fe 2p_3/2로 구성됩니다. 및 Fe 2p_1/2 합성된 FePt 나노입자에서 이 두 피크의 결합 에너지는 각각 710.2와 723.7 eV였다(그림 4(a₁ )). 이 값은 단일 셀에서 Fe와 Pt 사이의 결합으로 인해 순수한 Fe(710 및 723 eV)보다 높습니다[13]. 200°C에서 후처리한 후 Fe 2p 결합 에너지는 그림 4(b₁ ); 이것은 Fe₃ 값에 더 가깝습니다. O₄ (710.6 및 724.1 eV) [16]. 합성된 FePt 나노입자의 O 1 s 결합 에너지는 532.3 eV였다(Fig. 4(a₂ )), 이는 흡수된 H₂에 해당합니다. O 또는 O₂ 표면에서. 530.7 eV에서 또 다른 O 1 s 피크는 200°C에서 후처리된 샘플에서 발견되었습니다(그림 4(b₂ )), 이는 O ²⁻ 에 귀속되었습니다. Fe의 산화로 인한 이온 [13]. Fe 2p 스펙트럼에서 위성 피크가 관찰되지 않았으며, 이는 Fe가 Fe₃에 있음을 나타냅니다. O₄ , Fe₂가 아닙니다. O₃ [17]. 이것은 XRD 및 TEM 결과와 일치합니다. 합성된 샘플과 200°C 처리된 샘플에 대한 Pt의 XPS 스펙트럼은 그림 4(a₃ ) 및 그림 4(b₃ ). XPS 스펙트럼의 Pt 4f 영역은 전형적인 스핀-궤도 이중선(4f_7/2 및 4f_5/2 ); 결합 에너지는 각각 71.0 및 74.3 eV에 가깝습니다. 후처리 방법은 Pt 4f의 결합 에너지에 영향을 미치지 않습니다.

합성된 나노입자의 X선 광전자 스펙트럼((a₁ ):Fe 2p, (a₂ ):O 1, (a₃ ):Pt 4f) 및 200°C에서 후처리된 나노입자((b₁ ):Fe 2p, (b₂ ):O 1초, (b₃ ):4f)

합성된 FePt 나노입자와 200°C 처리된 이원 FePt-Fe₃의 상온(298K) 자기 히스테리시스 루프 루프 O₄ 나노 입자는 그림 5에 나와 있습니다. 합성된 FePt 나노 입자의 자기 히스테리시스 루프는 선형이고 보자력은 0에 가깝습니다. 이는 FePt 나노 입자가 실온에서 초상자성임을 나타냅니다. 앞서 보고된 바와 같이, 무질서한 fcc 구조와 더 작은 입자 크기는 FePt 나노입자의 초상자성 거동으로 이어질 것이다[13]. 매우 작지만 0이 아닌 보자력(5.7 Oe)은 단분산 이진 FePt-Fe₃에서 관찰됩니다. O₄ 실온에서 나노 입자. 일반적으로 Fe₃ O₄ 나노 입자는 입자 크기가 20nm보다 작을 때 초상자성입니다. [18] 일부 연구자들은 Fe₃의 보자력도 발견했습니다. O₄ 나노 입자는 8~15nm 범위에서 약 5Oe로 일정합니다[19]. 이 연구에서 단분산 바이너리 FePt-Fe₃ O₄ 시스템은 17.1wt.% 3.6nm FePt 나노입자와 82.9wt.% 6.6nm Fe₃로 구성됩니다. O₄ 나노 입자의 경우 두 종류의 서로 다른 나노 입자 간의 상호 작용이 0이 아닌 보자력 결과를 초래할 수도 있습니다. 0 보자력 FePt 나노입자는 200°C에서 후처리 후 0이 아닌 상태로 변형되어 Fe₃ O₄ 후처리 방식으로 나노입자를 생성합니다.

합성된 상태 및 200°C 처리된 나노입자의 실온 자기 히스테리시스 루프 루프

합성된 샘플과 200°C 처리된 샘플의 Fe/Pt 비율은 그림 4의 Fe 2p 및 Pt 4 f 피크를 통해 계산할 수 있습니다. 분석 결과 XPS 샘플(나노입자-헥산 잉크 )는 각각 88.6%와 90.5%였다. 그러나 TEM-EDS 결과는 합성된 상태와 후처리된 FePt 나노 입자의 Fe 수가 거의 동일했으며(72.8% 및 72.3%), FePt-헥산 잉크 및 바이너리 FePt-Fe₃ O₄ 나노 입자 시스템. 따라서 우리는 FePt 나노 입자의 합성 동안 환류, 냉각 및 세척 과정에서 과잉 철이 증기에서 액체(FePt-헥산 잉크로)로 변형되었음을 추론했습니다. FePt-헥산 잉크에서 과잉 철 종의 특성은 아직 명확하지 않지만 FePt 나노 입자의 안정성을 보장하기 위해 계면 활성제와 결합되었을 가능성이 가장 높습니다 [10, 11]. 과잉 철의 산화 또는 성장 Fe₃ O₄ 나노 입자는 온도와 대기에 크게 의존합니다. 고순도 아르곤 시스템에서 Fe₃ O₄ 나노 입자는 다양한 온도에서 얻을 수 없습니다. 그리고 FePt 용액은 진공 환경에서 100°C에서도 건조됩니다. 단분산 이분법 FePt-Fe₃를 쉽게 얻을 수 있습니다. O₄ 공기 중의 나노 입자 시스템, Fe₃ O₄ 100°C 이상에서는 나노 입자가 생성되지만, 250°C 이상에서는 FePt 용액도 건조됩니다. Fe₃의 입자 크기 및 함량 O₄ 이원 FePt-Fe₃의 나노 입자 O₄ 후처리 온도가 150°C에서 200°C로 증가하면 나노 입자 시스템이 증가합니다. 이는 FePt-헥산-OAm 용액에서 철의 온도 강화 확산 성장으로 인해 발생합니다.