基于磁性纳米粒子的纳米复合材料的高温一阶反转曲线 (FORC) 研究

      摘要

      一阶反转曲线 (FORC) 是一种优雅的非破坏性工具，用于表征包含精细（微米级或纳米级）磁性颗粒的材料的磁性。 长期以来，FORC 测量和分析一直是地球物理学家以及地球和行星科学家研究岩石、土壤和沉积物磁性的标准协议。 FORC 可以区分单畴、多畴和伪单畴行为，并且可以区分不同的磁性矿物种类 。 最近，FORC 已应用于更广泛的磁性材料系统，因为它可以产生有关磁相互作用和矫顽力分布的信息，而这些信息无法单独从主要磁滞回线测量中获得。 在本文中，我们将讨论该技术并展示两种磁性纳米粒子材料的高温 FORC 结果：分散在 SiO2 基质中的 CoFe 纳米粒子和基于 FeCo 的纳米晶非晶/纳米复合材料。

      介绍

      表征材料磁性的最常见测量是测量主磁滞回线 M(H)。 最常从 M(H) 回路中提取的参数是：饱和磁化强度 Ms、剩磁 Mr 和矫顽力 Hc。

      一阶反转曲线 (FORC)可以提供无法单独从滞后环路获得的信息。 这些曲线包括开关场和相互作用场的分布，以及识别包含多于一相的复合材料或混合材料中的多相。 测量 FORC 的方法是使磁场 Hsat 中的样本饱和，将磁场降低到反转磁场 Ha，然后在磁场扫回到 Hsat 时测量力矩与磁场 Hb 的关系。 对许多 Ha 值重复此过程，产生一系列 FORC。 作为 Ha 和 Hb 函数的每一步测得的磁化强度给出 M（Ha，Hb），然后将其绘制为场空间中 Ha 和 Hb 的函数。 FORC 分布 ρ(Ha, Hb) 是混合二阶导数，即 ρ(Ha, Hb) = -(1/2)∂2 M(Ha, Hb)/∂Ha∂Hb。

      FORC 图是 ρ(Ha, Hb) 的 2D 或 3D 等高线图。 通常将坐标从 (Ha, Hb) 更改为 Hc = (Hb - Ha)/2 和 Hu = (Hb + Ha)/2。 Hu 表示相互作用或反转场的分布，Hc 表示转换或强制场的分布。

      实验

      为了证明 FORC 测量和分析协议在表征材料的高温磁性方面的实用性，对两种不同的磁性纳米粒子材料进行了测量：分散在 SiO2 基质中的 CoFe 纳米粒子，以及基于 FeCo 的纳米晶非晶/纳米复合材料。 所有磁性测量均使用 Lake Shore Cryotronics MicroMag™ 振动样品磁力计 (VSM) 和高温炉进行，可实现从室温到 800 °C 的可变温度测量。 所有测得的磁化数据均以磁矩 (emu) 表示，作为磁场 (Oe) 和温度 (°C) 的函数。 有许多开源 FORC 分析软件包，例如 FORCinel [8] 和 VARIFORC。 在本文中，FORCinel 和自定义分析软件用于计算 FORC 分布并绘制 FORC 图。

      讨论

      分散在 SiO2 基质中的 CoFe 纳米粒子

      图 1 显示了 SiO2 体积分数在 40% 到 80% 之间的室温磁滞回线，表明随着 SiO2 的增加，磁性趋向于超顺磁性。 图 2 显示了 SiO2 体积分数为 40%、50% 和 60% 时的室温二维 FORC 图。 每个 FORC 分布中有一个以 Hc 为中心的单峰，并且存在相互作用（Hu，垂直轴）和开关场（Hc，水平轴）的分布，前者是由于粒子间相互作用，后者是由于 不同的粒子在不同的应用场强下切换。 请注意，FORC 分布中的峰值向负相互作用场（Hu，垂直轴）移动，这是通常与磁性粒子之间发生的交换相互作用相关的特征。

图 2. 分散在体积分数为 40%（左）、50%（中）和 60%（右）的 SiO2 中的 CoFe 纳米粒子的室温二维 FORC 图。

      对于含有 40% 体积分数的 CoFe 纳米颗粒分散在 60% 体积分数的 SiO2 中的样品，在 T = 25、100、200、300 和 400 °C 的温度下测量滞后 M(H) 回线和 FORC。 透射电子显微镜 (TEM) 图像显示，CoFe 纳米颗粒的直径约为 10 nm，并被晶间 SiO2 相隔开。 图 3 显示了每个温度下的迟滞回线和 25°C 下测得的 FORC。 图 4 显示了 25 至 400 °C 温度范围内的 2D FORC 图。 在每个温度下，FORC 分布中有一个以 Hc 为中心的单峰，随着温度升高，该峰向较低的开关场移动，这与 Hc 随着温度升高而降低一致。 在 FORC 图中，完全闭合的轮廓通常被认为是单域 (SD) 粒子的指纹，而向 Hu 轴发散的完全开放的轮廓是多域 (MD) 行为的指纹。 图 4 中显示的结果表明在较低温度下闭合等高线和在升高温度下开放等高线，表明基于 FORC 图的传统解释从 SD 到 MD 行为的转变。 需要进一步研究以更好地理解这种传统解释是否适用于这种密集的纳米粒子聚集体。 在所有温度下，相互作用（Hu，垂直轴）和转换场（Hc，水平轴）都有分布，前者是由于粒子间的相互作用，而后者是由于不同的粒子在不同的应用场强下转换。

图 3. 对于分散在 SiO2 (60%) 中的 CoFe 纳米粒子 (40%)，在 T = 25、100、200、300 和 400 °C（左）时的磁滞回线以及在 25 °C（右）下测得的 FORC。

图 4. T = 25、200、300 和 400 °C 时的二维 FORC 图。

      FeCo基纳米晶非晶/纳米复合材料

      Fe56Co24Si2B13Nb4Cu1 样品是使用传统的熔融纺丝工艺制造的，TEM 图像显示样品是完全无定形的或由直径 <~10 nm 的纳米晶体组成，这些纳米晶体在经过约 520 °C 的初级结晶处理后嵌入晶间非晶相中（ '结晶'）。 测量圆盘形样品（直径 0.3 cm）的磁滞 M(H) 回线和 FORC，施加场平行于带状平面，温度为 T = 25、400 和 780 °C，即 高于初级结晶温度，然后从 780 °C 冷却后在 25 °C。 图 5 显示了每个温度下的 M(H) 环路和 780 °C 下测得的 FORC。 图 6 显示了相应的 2D FORC 图，并显示了冷却后 780 °C 和 25 °C 时的叉骨状特征。 叉骨 FORC 通常意味着粒子之间存在偶极（或静磁）相互作用。 由于非晶相的居里温度约为 520 °C，因此在高温下，偶极相互作用确实可能成为重要的相互作用，而在较低温度下，纳米粒子和非晶前体应完全交换耦合。 随着温度升高，FORC 分布中的峰值向正反转或相互作用场（Hu，垂直轴）移动，这表明偶极相互作用随着温度升高接近和高于无定形前体的居里温度而变得越来越重要。

图 6. 铸态 FeCo 基纳米晶非晶/纳米复合材料在冷却后 25（左上）、400（右上）、780（左下）和 25 °C（右下）时的 2D FORC 图。

      结论

      FORC 分析对于表征各种磁性材料中的相互作用和矫顽力分布是必不可少的，包括： 天然磁体、磁记录介质、纳米线阵列、永磁体和交换耦合磁性多层膜。 在本文中，我们展示了在高温下开关场和相互作用场分布的演变，这是通过对 CoFe 纳米颗粒和 FeCo 基纳米晶磁性材料的 FORC 分析确定的。