Fe2O3@SiO2橢球粒子的制備、自組裝及其光學性能研究.pdf

1、磁性氧化鐵納米粒子在半導體技術、藥物磁分離、生物傳感器等領域有重要研究價值。特別是經過表面包覆SiO2和功能化改性處理，能夠進一步拓展其應用領域。但是目前大粒徑(>100nm)的單分散性氧化鐵粒子的制備仍然存在著諸多困難，主要問題是：(i)熱力學穩(wěn)定性不足導致γ-Fe2O3粒子的制備產率和單分散性不好，(ii)磁性的納米粒子在修飾過程中已發(fā)生“自聚”，SiO2殼難以均勻地進行包覆，(iii)復合微球的自重增加使得大粒徑納米粒子的組裝非常

2、困難。
　　本文采用水熱合成法制備了不同形貌的單分散性α-Fe2O3納米粒子。對合成工藝研究發(fā)現(xiàn)，在時間12h，溫度為120℃的反應條件下，制得的α-Fe2O3納米粒子，單分散性分布寬度較窄，長徑比約為3.2。通過改變反應時間、溫度、反應物濃度以及表面修飾劑的用量，能夠調節(jié)產物α-Fe2O3納米粒子的單分散性和長徑比。利用紫外-可見吸收光譜對光學禁帶寬度研究發(fā)現(xiàn)，長徑比大的紡錘型納米粒子具有更小的光學禁帶(2.05eV)。通過振動

3、樣品磁強計對磁性分析表明，紡錘型α-Fe2O3納米粒子展現(xiàn)出較強的矯頑力和剩余磁化強度，分別達到了1645Oe和0.0951emu/g。高分辨透射電子顯微鏡的分析表明，紡錘型α-Fe2O3納米粒子具有更為明顯的軸向方向的生長取向和更多的晶界，對于光學禁帶的降低和矯頑力的提高起到了一定的強化效應。
　　通過PVP表面修飾劑對紡錘型α-Fe2O3進行修飾，采用St?ber水解法包覆SiO2殼，研究了PVP、溫度、濃度、催化劑等工藝因素

4、對產物形貌和結構的影響。在此基礎上，獲得了SiO2殼厚在15~125nm范圍內可調的單分散α-Fe2O3@SiO2橢球納米粒子。透射電鏡分析SiO2包覆效果發(fā)現(xiàn)，該方法能夠獲得包覆完整的核-殼結構。XRD和紅外光譜分析表明，隨著 SiO2殼厚增加，α-Fe2O3@SiO2橢球納米粒子中SiO2的衍射峰和吸收強度都相應地增加。結合TEM分析，證明在不加水的反應體系中，以氨水作為催化劑，通過控制硅源的加入濃度和速度能夠有效地控制 SiO2均

5、勻包覆于α-Fe2O3表面而不形成實心的SiO2微球。對α-Fe2O3@SiO2橢球納米粒子的光學性能和磁學性能的研究表明，隨著SiO2殼厚增加，納米粒子的光學禁帶寬度逐漸增加而矯頑力逐漸減小。對熱穩(wěn)定性的研究表明，SiO2殼厚的增加能夠有效地提高α-Fe2O3@SiO2橢球納米粒子的耐溫性。SiO2殼厚為65nm的橢球納米粒子在800℃條件下熱處理1h幾乎不發(fā)生變形，具有突出的高溫形狀穩(wěn)定性。
　　對α-Fe2O3，F(xiàn)e3O4和

6、γ-Fe2O3納米粒子的相轉變過程和轉化條件的熱分析研究發(fā)現(xiàn)，在還原氣氛(Ar-H2)中，α-Fe2O3和Fe3O4能夠在292℃條件還原處理進而發(fā)生相轉變，而氧化氣氛(O2)中，F(xiàn)e3O4和γ-Fe2O3納米粒子能夠在302℃條件氧化處理進而發(fā)生相轉變。采用XRD、Raman和FTIR光譜對還原-氧化過程中的結構變化分析表明，在上述溫度條件下能夠進行高效的相轉變，且具有典型的上述產物的晶體結構。穆斯堡爾譜分析表明，上述反應條件下進行1

7、h，反應的轉化效率為99.99％以上。根據還原-氧化條件下的相轉變機理，對經過包覆的α-Fe2O3@SiO2核-殼結構進行了處理，獲得了橢球型γ-Fe2O3@SiO2納米粒子。利用TEM、XRD和紅外光譜的分析表明，產物具有典型的核-殼結構。通過對其磁性和光學性能的分析表明，SiO2殼厚為110nm橢球型γ-Fe2O3@SiO2納米粒子的矯頑力達到149.9Oe，具有較低的光學禁帶。
　　對γ-Fe2O3@SiO2納米粒子的有序組

8、裝過程的分析表明，在控制溫度、濃度、磁場、基板等條件的情況下，采用磁場誘導氣-液界面組裝法可以獲得高度有序的橢球型γ-Fe2O3@SiO2薄膜。反射光譜對其光子禁帶進行分析表明，對于SiO2殼厚為75nm的橢球模板而言，其光子帶隙位于585nm，光子禁帶相對寬度為12.6%。通過表面吸附的方法，將熒光金納米粒子能夠很好地吸附到γ-Fe2O3@SiO2橢球模板的SiO2殼的表面。通過 SEM分析表明，金納米粒子均勻包覆于γ-Fe2O3@S