稀有金属 2006,(03),263-265 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2006.03.001

CoO包覆的Co纳米颗粒的磁滞回线的横向及纵向偏移

郑荣坤 冯国光 张西祥

吉林大学超硬材料国家重点实验室,香港科技大学物理系,香港科技大学物理系,香港科技大学物理系 吉林长春130012,香港999077,香港999077,香港999077

摘 要：

利用等离子体-气体冷凝方法制备了具有核-壳结构的Co纳米颗粒, 并对其结构和磁性进行了研究。结果表明纳米颗粒的尺寸均匀, 平均直径约为20 nm, 表面包覆着CoO壳层。在CoO壳层和Co核间存在着交换偏置效应。经过磁场冷却, 在低温测量的纳米颗粒的磁滞回线不只在横轴方向, 在纵轴方向也存在着明显的偏移, 并且在横向偏移量和纵向偏移量间存在着线性关系。交换偏置效应和磁滞回线的纵向偏移应该起源于CoO壳层中未被补偿的冻结自旋。根据交换偏置效应的未补偿自旋模型, 对Co纳米颗粒的磁场冷却磁滞回线的横向偏移量和纵向偏移量间的线性关系进行了解释。

关键词：

纳米颗粒;交换偏置;核-壳结构;钴;

中图分类号： TM271

收稿日期：2005-10-12

基金：国家自然科学基金项目 (50402003);香港研究资助局 (RGC) 项目 (HKUST6165/01P, HKUST6140/00P);

Horizontal and Vertical Shifts of Hysteresis Loop in CoO Coated Co Nanoparticles

Abstract：

Core-shell-structured cobalt nanoparticles were synthesized by plasma-gas-condensation method.All particles are covered with a CoO shell, and have a narrow size distribution with an average diameter of about 20 nm.Exchange bias effect is found between the CoO shell and Co core.After field cooling, the magnetic hysteresis loops of the particles measured at low temperature show clear shifts in both horizontal and vertical directions.And the horizontal shifts and vertical shifts have a linear relationship.The exchange bias effect and the vertical shifts should arise from these frozen uncompensated spins in CoO shell.And the linear relationship between the horizontal shifts and vertical shifts is interpreted according to the interfacial uncompensated-spin model of exchange bias effect.

Keyword：

nanoparticle;exchange bias;core-shell structure;cobalt;

Received： 2005-10-12

对磁性纳米颗粒的研究一直吸引着人们的广泛关注。 因为其不仅具有重要的基础研究价值, 还在信息存储、 磁流体和催化等领域具有广泛的应用 ^[1,2,3,4,5] 。 与相应的大块材料比较, 磁性纳米颗粒通常具有一些独特的性质, 如单畴特性和超顺磁性等。 这主要是由小尺寸效应和表面效应等引起的 ^[6,7] 。 金属磁性纳米颗粒的表面活性很高, 当它暴露在空气中时会在表面形成一层金属氧化物, 形成具有核_铁磁金属-壳_{金属氧化物}结构的磁性纳米颗粒。 当金属氧化物壳层为反铁磁性时, 在此核-壳结构的磁性纳米颗粒中通常会发现交换偏置效应 ^[8] 。 这被认为是由铁磁金属核和金属氧化物壳层界面处的交换作用引起的。 存在交换偏置效应的磁性纳米颗粒的矫顽力通常会得到增强, 并且在经过磁场冷却后, 此磁性纳米颗粒的磁滞回线会发生横向偏移 ^[9,10] 。 这些现象不只对磁性纳米颗粒的应用具有重要意义, 也是理论研究关注的焦点。

本文利用等离子体-气体冷凝方法制备了具有核-壳结构的Co纳米颗粒, 并且研究了此CoO包覆的Co纳米颗粒的磁性。

1 实 验

Co纳米颗粒是利用等离子体-气体冷凝方法制备的 ^[10] 。 在充满80 Pa氩气的溅射室内高纯Co靶被等离子体溅射, 溅射出的Co原子在此高氩气压环境下成核并生长成为纳米颗粒。 生成的Co纳米颗粒在气压差的推动下飞行穿过一列准直的小孔进入相连的低氩气压的沉积室中。 在此过程中Co纳米颗粒的尺寸得到选择。 最终尺寸均匀的Co纳米颗粒沉积到沉积室中的基片上。 在沉积室中Co纳米颗粒表面被钝化, 形成具有核-壳结构的CoO包覆的Co纳米颗粒。

利用透射电子显微镜 (JEOL 2010F TEM) 和超导量子干涉磁强计 (Quantum Design MPMS7) 对Co纳米颗粒的结构和磁性进行了研究。 用于TEM研究的样品沉积在覆有碳膜的铜网上。 而用于磁性测量的样品沉积在KaptonTM薄膜上。

2 结果与讨论

图1给出了Co纳米颗粒的TEM照片。 由图可见Co纳米颗粒的尺寸均匀, 平均直径在20 nm左右。 所有的Co纳米颗粒都具有核-壳结构, 表面被一层氧化物所覆盖。 图1右上角插入了相应的选区电子衍射图 (SAED) 。 SAED表明Co核和包覆它的CoO壳层都具有面心立方 (fcc) 结构。 其中强且窄的衍射环属于Co核而弱且宽的衍射环属于CoO壳层。

图2给出了在6 K测量的零磁场冷却 (ZFC) 和带5 T外磁场冷却 (FC) 后的Co纳米颗粒的磁滞回线。 其中ZFC磁滞回线是对称的, 矫顽力约为497 kA·m^-1 (±4) 。 而FC磁滞回线是不对称的, 在横轴方向有明显的偏移。 其矫顽力为H_c^FC= (H_c1^FC-H_c2^FC) /2, 约为788 kA·m^-1 (±4) , 较ZFC磁滞回线的矫顽力有很大的增加。 其横向偏移量为H_e= (-H_c1^FC-H_c2^FC) /2, 约为784 kA·m^-1 (±4) 。 这表明在Co纳米颗粒中存在着交换偏置效应, 横向偏移量He即为交换偏场。 交换偏置效应应该起源于Co核和CoO壳层间的交换作用。

另外, FC磁滞回线在纵轴方向也有明显的偏移。 FC磁滞回线在5 T外磁场时的磁矩明显大于在-5 T时的磁矩, 并且在5 T时FC磁滞回线也明显高于ZFC磁滞回线。 这表明经过磁场冷却, 在Co纳米颗粒中诱发了Co核以外部分的磁化, 并且这部分磁矩被冻结在冷却磁场的方向, 不能被外磁场翻转。 这部分磁矩应该来源于CoO壳层表面未被补偿的自旋。 在CoO薄膜中已经发现表面有未被补偿的自旋的存在 ^[11] 。 而在Co纳米颗粒的CoO壳层表面中, 因为表面积很大而且表面又更不光滑平整, 未被补偿的自旋应该更多。 在ZFC过程中, CoO壳层表面中未被补偿的自旋随机地冻结在各个方向, 净磁矩为零。 而当FC时, 未被补偿的自旋被冻结在外磁场方向, 贡献的静磁矩应为Δm=│m^FC (5 T) │-│m^FC (-5 T) │。 而在FC磁滞回线中可以被外磁场翻转的磁矩m_R应该来源于Co核的贡献, m_R=│m^FC (-5 T) │。 按照交换偏置效应的未补偿自旋模型 ^[11] , 交换偏场正比于单位面积内反铁磁层表面未被补偿的自旋数, 反比于铁磁层的磁矩。 因此, 在Co纳米颗粒中, 交换偏场H_e应该正比于Δm/m_R, 即H_eαΔm/m_R。 为了证明这一点, 在不同温度测量了带5 T外磁场冷却后的Co纳米颗粒的磁滞回线。 从其中获得的H_e和Δm/m_R的数据绘于图3中。 可以清楚地看出H_e和Δm/m_R确有很好的线性关系。 这个结果证明了在Co纳米颗粒的CoO壳层表面确实存在着未被补偿的自旋, 而这些自旋导致了Co纳米颗粒的FC磁滞回线在横轴和纵轴方向的明显偏移。

图1 Co纳米颗粒的TEM和SAED照片

Fig.1 TEM image and SAED patterns of Co nanoparticles

图2 6 K下的磁滞回线 (ZFC零场冷却; FC带场冷却)

Fig.2 Hysteresis loops measured at 6 K after ZFC and FC processess

图3 交换偏场He和Δm (5 T) /mR的线性关系

Fig.3 Linear dependence of H_e on Δm (5 T) /m_R

3 结 论

在经过磁场冷却的CoO包覆的Co纳米颗粒的磁滞回线中存在着横轴和纵轴方向的明显偏移。 纵轴方向的偏移应该起源于冻结于冷却磁场方向的CoO壳层表面未被补偿的自旋。 而横轴方向的偏移应该起源于这些未被补偿的反铁磁层自旋引起的交换偏置效应。

参考文献

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