外磁場對(duì)四氧化三鈷納米粒子生長的影響的理論和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、隨著納米科技的不斷發(fā)展，近年來人們對(duì)納米材料的需求已經(jīng)不再停留在對(duì)其的簡單制備上。納米材料由于其尺寸的減小和比表面積的增大，其性能很大程度上由其表而而不是體性質(zhì)所決定，這就要求我們能對(duì)材料進(jìn)行可控的合成，即做到納米材料的大小可控，形貌可控等等。目前常用的基于表面活性劑的納米材料合成方法還有其局限性，如作用機(jī)制不清，在溶液中干擾因素太多等等。
　　 磁場誘導(dǎo)水熱合成法相對(duì)于傳統(tǒng)方法有其獨(dú)特的優(yōu)勢，如反應(yīng)體系簡單，對(duì)環(huán)境無污染等等。

2、目前在這一領(lǐng)域國內(nèi)外已經(jīng)取得了一系列可喜的結(jié)果，但是這些研究目前都以實(shí)驗(yàn)為主，關(guān)于磁場為什么能影響材料的生長過程以及其物理性質(zhì)，人們目前還沒有一個(gè)合理的解釋，而這卻恰恰是我們要將這一方法繼續(xù)推廣下去所必須了解的，并且弄清楚這一問題也有助于我們今后在更強(qiáng)的磁場下開展研究。另外，目前磁場誘導(dǎo)材料合成法的主要適用對(duì)象還局限于鐵磁性或亞鐵磁性的材料。因此磁場誘導(dǎo)材料合成無論從理論上還是從實(shí)驗(yàn)上都還值得我們進(jìn)一步去探索。
　　 本論文中我

3、們擬采用常溫下順磁性的四氧化三鈷為研究對(duì)象，著重從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面研究磁場在材料生長過程中對(duì)材料形貌的影響，希望能夠找到磁場的作用機(jī)制，并將其進(jìn)一步推廣到對(duì)其他材料的磁場誘導(dǎo)合成中。論文所取得的主要成果可歸納如下：
　　 1.成功地利用磁場誘導(dǎo)水熱合成法實(shí)現(xiàn)了Co3O4納米粒子的可控合成。
　　 我們成功地找到了一個(gè)簡單的，無表而活性劑的體系來合成Co3O4納米粒子，并觀察了在合成過程中外加磁場對(duì)最終產(chǎn)物的影響。研究發(fā)現(xiàn)

4、，不施加外磁場所制備的Co3O4納米粒子是不規(guī)則的多面體，而施加外磁場所制備的Co3O4納米粒子是規(guī)則的立方體。通過調(diào)節(jié)反應(yīng)體系的其他參數(shù)，如溶劑配比和反應(yīng)物用量，我們成功的合成了粒徑大小不等，從8 nm到120 nm的納米立方體，并發(fā)現(xiàn)磁場的誘導(dǎo)作用對(duì)于不同粒徑大小的納米粒子都存在。這同時(shí)也說明粒子在其生長初期已經(jīng)呈現(xiàn)立方體外觀，(100)面顯露，而在其生長后期則僅僅是立方體長大的過程。
　　 2.成功地從理論上驗(yàn)證了“磁場可

5、以改變材料不同晶面的晶面能”這一命題。
　　 我們利用一個(gè)基于密度泛函理論的計(jì)算軟件(VASP)來計(jì)算不同晶面的表面能。通過建立具有不同磁結(jié)構(gòu)的模型，我們?cè)敿?xì)地研究了施加磁場前后(100)和(111)面晶面能的變化。我們發(fā)現(xiàn)，不施加外磁場時(shí)，(100)面和(111)面的表面能分別為1.849 J/m2和約1.64 J/m2；而施加外磁場之后，兩個(gè)面的表面能分別為1.326 J/m2和約1.44 J/m2。在外磁場的影響下，(10

6、0)面的能量降低的要比(111)面快，并取代(111)面成為晶面能最低的面。根據(jù)晶體生長的熱力學(xué)理論，能量最低的面會(huì)在晶體的最終形態(tài)中展現(xiàn)，因此在外加磁場時(shí)，能量最低的(100)面會(huì)顯露出來，從而納米粒子顯示出立方體的外觀，這也與我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)成了非常好的一致。而當(dāng)外磁場不存在的時(shí)候，(111)面和(100)面可能存在競爭生長的關(guān)系，從而納米粒子呈現(xiàn)不規(guī)則的多面體形。
　　 綜上所述，在本論文中，我們從實(shí)驗(yàn)上和理論上都驗(yàn)證了“