具有磁響應(yīng)光子晶體性質(zhì)碳包覆超順磁性膠體納米粒子的合成

1、具有磁響應(yīng)光子晶體性質(zhì)碳包覆超順磁性膠體納米粒具有磁響應(yīng)光子晶體性質(zhì)碳包覆超順磁性膠體納米粒子的合成子的合成以二茂鐵作為單獨(dú)反應(yīng)物通過一步溶劑熱過程合成具有平均尺寸190納米碳包覆氧化鐵核殼膠體納米粒子。納米結(jié)構(gòu)的組成，相，形態(tài)通過X射線衍射和透射電子顯微進(jìn)行表征。磁性測試揭示了超順磁性材料在室溫下飽和磁化強(qiáng)度為40.2emug。在外加磁場的作用下，在懸浮膠體納米粒子乙醇溶液中，可見光衍射光譜能被觀察到，而且衍射波長隨著外磁場強(qiáng)度增強(qiáng)而

2、變化。使其在乙醇溶液中保存八個(gè)月以后，在外磁場作用下，這些膠體納米粒子依舊能使可見光衍射，原因是碳包覆和在碳?xì)け砻嫔婶然?，這樣即會(huì)產(chǎn)生空間阻礙也會(huì)在氧化鐵納米粒子間產(chǎn)生靜電斥力。引言引言磁性膠體基礎(chǔ)材料由于其特殊的性質(zhì)和潛在的應(yīng)用受到了越來越多的研究人員的關(guān)注。[16]在這些應(yīng)用的刺激下，磁性膠體基礎(chǔ)材料的合成已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步。[711]特別是磁性納米晶體簇，一種具有高水溶性非常重要的超順磁性材料形式，已經(jīng)證明具有高磁化強(qiáng)度的磁性

3、性質(zhì)和一些的潛在應(yīng)用，例如在光子晶體和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。[1216]當(dāng)前，各種各樣的超順磁性膠體納米晶體簇已被獲得來形成磁響應(yīng)光子晶體。[1723]例如，Asher已經(jīng)報(bào)道了從高電荷，單分散超順磁性134nm聚苯乙烯鐵氧化物復(fù)合膠體微球中制備超順磁性光子晶體。[20]Yin已制備了具有磁諧調(diào)性的膠體光子晶體，能夠阻止光帶覆蓋源于超順磁性氧化鐵膠體納米晶體簇的整個(gè)可見光譜。[21]另外，他們也意識到了由超順磁性Fe3O4SiO2粒子組成的旋

4、轉(zhuǎn)光子晶體的合成。[22]huang和他的合作者已經(jīng)獲得由在結(jié)晶的聚合物基體中的磁性納米晶體簇組成的光帶間隙可控的光子晶體。[23]納米尺寸的粒子磁性膠體懸浮液具有非常穩(wěn)定的磁矩。為了抵消范德瓦爾斯引力和磁兩極相互影響，磁性懸浮液膠體穩(wěn)定性需要粒子間的額外斥力。這可通過空間位阻實(shí)現(xiàn)，用表面活性劑包覆粒子，或通過靜電斥力作用，磁性粒子是具有相同符號電荷的高分子離子。以聚合物或SiO2為殼磁性膠體基礎(chǔ)材料表面包覆是一個(gè)成功的例子來介紹空間阻

5、礙，其能提高穩(wěn)定性和光子晶體對環(huán)境變化的忍受度，例如離子強(qiáng)度和溶劑疏水性。眾所周知，與聚合物和SiO2殼相比，碳?xì)ぴ谒嵝?，堿性，高溫高壓等變化的化學(xué)物理環(huán)境下展現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性。而且親水性基團(tuán)能夠在磁性膠體基礎(chǔ)材料碳表面產(chǎn)生，使磁性粒子形成負(fù)電荷來更大地提高靜電斥力。這篇論文的目的是制備具備磁響應(yīng)光子晶體性質(zhì)的碳包覆氧化鐵核殼粒子。通過用碳包覆氧化鐵粒子，在碳?xì)け砻嫱ㄟ^氧化作用生成羧酸鹽基團(tuán)，這樣既會(huì)產(chǎn)生空間阻礙也會(huì)產(chǎn)生靜電斥力。這樣預(yù)

6、期包覆的碳層能夠保護(hù)氧化鐵核被氧化，碳層的羧基化作用能夠提高膠體懸浮液穩(wěn)定性，原因是羧酸鹽基團(tuán)導(dǎo)致了更高的負(fù)電位的出現(xiàn)。磁性膠體基礎(chǔ)材料的穩(wěn)定性通過磁響應(yīng)光學(xué)衍射隨存儲(chǔ)時(shí)間變化所研究。實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)材料材料二茂鐵（Fe(C5H5)2)，≥98%），過氧化氫（H2O230%)，丙酮（C3H6O，≥99%），這種納米粒子是表面具有羧基碳包覆氧化鐵核殼結(jié)構(gòu)。具體的反應(yīng)過程由圖2所示。在二茂鐵分解過程中，鐵原子在過氧化氫作用下被氧化成氧化鐵。隨著氧化

7、鐵濃度的增加，再過飽和溶液中的納米晶體聚集形成刺激納米晶體簇。然后，具有共軛雙鍵的碳基有機(jī)物通過化學(xué)鍵作用吸附在團(tuán)簇表面，形成核殼結(jié)構(gòu)。圖1d是二維納米粒子晶格條紋象。晶格條紋間距為0.298nm對應(yīng)于Fe3O4（220）晶面。圖1e顯示了單個(gè)納米粒子選區(qū)電子衍射，衍射環(huán)存在表明了粒子的多晶性質(zhì)。衍射環(huán)對應(yīng)于Fe3O4的（111）（220）（311）衍射面。圖3是在室溫下（300K）樣品的磁滯回線，磁場范圍到20000Oe。如圖1所示，

8、每一個(gè)納米粒子由尺寸小于20nm若干基本Fe3O4納米晶體組成。先前的研究已經(jīng)揭示了納米晶體顯示了超順磁性行為，當(dāng)尺寸下降到大約20nm的臨界值。[29]這表明了這些納米粒子應(yīng)該是順磁性的，由室溫磁性測試所確定。但是，樣品的飽和磁化強(qiáng)度值達(dá)到了40.2emug，明顯高于8nm納米點(diǎn)的值21.2emug，可能歸因于納米晶體團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的形成。一個(gè)放大的曲線在下插圖中所顯示，磁場強(qiáng)度從﹣20到20Oe，其磁矯頑力和剩余磁化強(qiáng)度分別為7.89Oe

9、和0.285emug。當(dāng)納米晶體簇溶液放置于0.20T磁場下，磁性樣品可以在一分鐘內(nèi)被完全分離，如插圖a和b所示。在輕微搖動(dòng)溶液和磁場撤離后，磁性材料又立即分散于溶液中，如插圖c所示。圖4顯示了納米晶體簇懸浮液在0.20T外磁場不同存放時(shí)間下的光學(xué)衍射照片。從圖4ad，可以清楚地看到，外磁場作用下，強(qiáng)烈的光學(xué)衍射會(huì)立即出現(xiàn)，導(dǎo)致顏色變化。隨著粒子在酒精溶液里存放時(shí)間的延長，衍射效果幾乎沒有改變。即使存放八個(gè)月之后，存放的納米晶體簇懸浮液

10、在沒有超聲作用下依舊可以衍射明顯的可見光，這表明了納米粒子在酒精溶液中的高度穩(wěn)定性。完整的可見光排列（從紅到藍(lán)）可以通過衍射觀察到，在一個(gè)圓形磁鐵的作用下。值得注意的是，整個(gè)衍射過程具有快速響應(yīng)性和可重復(fù)性兩大特點(diǎn)。一般來說，強(qiáng)烈的光學(xué)衍射是由于納米粒子在沿著磁力場的方向，形成了晶格參數(shù)周期性變化的有序結(jié)構(gòu)。[30.31]納米粒子對磁場響應(yīng)的有序過程通過SEM確定。一個(gè)銅片被放到滑片上以至于納米粒子溶液能夠在短時(shí)間內(nèi)維持它的形狀。為了去

11、觀察納米粒子溶液對外磁場的響應(yīng)，滑片放在一塊磁鐵上面。當(dāng)無外磁場作用時(shí)，納米粒子很好的分散無序排列在酒精溶液中，如圖1a所示，當(dāng)加入外磁場時(shí)，沿著外磁場的方向一維鏈納米結(jié)構(gòu)有序的形成，如圖5a所示。圖5b展示了單個(gè)納米鏈的SEM照片，從中可以明顯觀察到粒子之間具有一定的間隔。有空間的一維納米鏈的形成源自于磁場與靜電排斥力的平衡。當(dāng)這種自組裝結(jié)構(gòu)的周期性，可見光的波長滿足布拉格方程，就會(huì)產(chǎn)生衍射，如圖4所示。圖6展示了樣品酒精溶液在不同磁

12、場強(qiáng)度下的衍射譜，磁場強(qiáng)度改變通過改變磁鐵與溶液之間距離來實(shí)現(xiàn)。如圖6，衍射波長變化范圍與磁鐵與溶液包覆納米粒子之間距離有關(guān)。當(dāng)樣品與磁鐵之間距離減小時(shí)，樣品的衍射波長可以從740nm減小到480nm。這個(gè)現(xiàn)象源于磁場強(qiáng)度增大，納米粒子間距就會(huì)減小。存儲(chǔ)八個(gè)月后，納米粒子溶液依舊很好的分散，原因是羧基的存在和在納米粒子表面的碳。圖7展示了納米粒子酒精溶液存放八個(gè)月后的衍射譜。與圖6結(jié)果相比，衍射波長展示了相似的一致行為隨著磁場強(qiáng)度的變化