基于聚合物模板沉积有序纳米颗粒

【摘要】纳米材料具有小尺寸效应、量子尺寸效应和表面效应等特殊的性质。和常见的块体材料相比较，纳米材料会展现出独特的物理和化学性质，这使得它在微电子、化工、能源和生物制药等领域有着非常广阔的应用前景。在纳米材料制备方面，如何以简单高效的方法获得低成本可控性高的纳米材料，一直是国内外科研工作者研宄的重点。在纳米材料众多的合成方案中，嵌段共聚物自组装法是一个可以满足以上要求的方法。以PS-b-P4VP(polystyrene-b-poly(4-vinylpyridine))为例：它可以在选择性溶解的溶剂中自组装形成有序的结构，这种结构可以作为生长纳米材料的模板与纳米反应器。这是一种简单，低成本的方法，可以用来生长许多纳米材料。但是，目前完全利用PS-b-P4VP自组装方法来制备磁性氧化物的研宄报道很少。因此，本文将利用PS-b-P4VP自组装方法来制备磁性氧化物纳米颗粒，探索一种低成本制备磁性纳米颗粒的方法。本文釆用旋涂法在硅（Si)基片上制备了双嵌段共聚物PS-b-P4VP模板，研究了PS-b-P4VP在选择性溶解的溶剂甲苯/四氢呋喃（THF)中的自组装性质，以及基片种类、旋涂转速、浸泡溶液种类和蒸汽退火等因素对PS-b-P4VP薄膜的影响，并从中获得了生长有序纳米结构的最佳聚合物模板。然后，我们研究了许多金属前驱体与聚合物PS-b-P4VP的络合反应，筛选并得到了在本实验室中可以成功络合的金属前驱体。最后利用高温退火，分解了有机前驱体，获得了磁性氧化物纳米颗粒阵列，并研宄了氧化物纳米颗粒阵列的磁性质。具体研宄结果如下：首先，利用原子力显微镜研究了PS-b-P4VP聚合物模板的表面形貌。结果表明在纯甲苯溶剂下可以获得准六角的有序球形胶束结构。在甲苯与四氢呋喃体积比为10/40的比分下，可以获得面外取向的准六角的有序柱形微畴。以上这两种结构都可以作为模板来生长纳米结构。然后，我们研究了多种金属前驱体与聚合物PS-b-P4VP的络合反应，筛选并得到了在本实验室中可以成功络合的金属前驱体（如：铁、钴、镍等)。最后利用高温退火，分解了有机前驱体，获得了磁性氧化物纳米颗粒阵列，并利用AFM做了表面形貌测试。最后，我们研宄了a-Fe203与NiFe204纳米颗粒的表面结构、元素信息还有磁性质。从AFM与SEM的图像可以看出纳米颗粒的高度基本在5-10nm左右，颗粒大小在20-50nm左右，颗粒间距在75nm左右。颗粒以准六角的方式排列在Si片上。XPS的元素峰确认了纳米颗粒的成分为a-Fe203与NiFe204。从PPMS测试得到的磁滞回线可以看出a-Fe203和NiFe204纳米颗粒在50K-300K的温度范围内都具有一定的铁磁性。其中，a-Fe203纳米颗粒的Morin转变温度由于纳米尺寸效应降到了50K以下，从而拓宽了a-Fe203纳米颗粒的铁磁性温度范围。MFM测试结果表明本实验中合成的a-Fe203纳米颗粒具有单畴结构，因此在磁性存储领域具有应用潜力。总之，本文利用嵌段共聚物PS-b-P4VP自组装法成功制备了a-Fe203与NiFe204纳米颗粒。该方法是一种简单、低成本的纳米材料合成法，在工业生产中具有巨大的应用潜力。
【作者】舒川；
【导师】杨浩；
【作者基本信息】苏州大学，凝聚态物理，2014，硕士
【关键词】PS-b-P4VP；自组装；模板；络合反应；磁性纳米颗粒；

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