通过静电纺丝和热处理合成的钴纳米纤维的磁性质：对纳米级器件应用的影响

《Chinese Journal of Physics》：Magnetic properties of cobalt nanofibers synthesized via electrospinning and thermal treatment: Implications for nanoscale device applications

采用电纺结合热还原工艺制备高纯度钴纳米纤维，结构分析显示从Co3O4尖晶石相转变为金属钴，并存FCC/HCP晶格。MOKE测得矫顽力20.4mT，微磁模拟揭示几何限制和磁耦合主导磁化反转，为磁电子器件提供新思路。

　　

Piero Terruzzi|Daniela Alburquenque|Eduardo Saavedra|Juan Escrig

智利圣地亚哥大学物理系，Victor Jara大街3493号，圣地亚哥，9170124，智利大都会地区

摘要

我们报道了通过静电纺丝制备高纯度钴纳米纤维（CoNFs）的方法，随后在含氢气氛中进行煅烧和热还原处理。所得的一维纳米结构平均直径约为130–140纳米，同时保持了良好的纤维形态。利用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）和能量色散X射线光谱（EDS）对样品进行了结构和化学表征，证实了从尖晶石型Co₃O₄相向金属钴相的相变过程，同时存在面心立方（FCC）和体心立方（HCP）两种晶体结构。磁光克尔效应（MOKE）测量结果显示其具有明显的铁磁性质，矫顽力为20.4毫特斯拉（mT）。

微磁模拟再现了实验中的磁滞行为特征，并对磁化反转过程提供了物理解释。对于孤立的纳米纤维和相互连接的纳米纤维阵列，实验观察结果与模拟结果均具有较好的一致性，这突显了几何形状、相共存以及磁静力耦合在调控磁响应中的作用。模拟结果显示，磁化反转过程是非均匀的，其特征是形成类似斯格明子（skyrmion）的管状磁化结构，这种结构并非由拓扑保护产生，而是由几何限制和磁静力效应导致的。

热还原后检测到的残留氧化物相以及采用简化微磁模型（忽略热激活效应并充分考虑实际结构无序性）是本研究的重要局限性。尽管存在这些限制，但实验-计算相结合的方法为理解静电纺丝钴纳米纤维网络中的集体磁化反转现象提供了基于物理原理的框架，从而支持其在自旋电子器件、磁传感器和磁驱动纳米系统中的潜在应用。

引言

钴是一种过渡金属，具有强烈的磁晶各向异性和优异的热稳定性，使其成为众多纳米技术应用中的理想材料。已合成多种基于钴的纳米结构，包括纳米颗粒、纳米线、纳米管和薄膜，用于磁存储、传感、催化和自旋电子器件[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。这种形态多样性反映了钴在纳米尺度上的多功能性，其结构、电子和磁性质可以精细调节以满足特定功能需求。

在这些纳米结构中，钴纳米纤维（CoNFs）因具有高长径比和多晶结构而受到越来越多的关注，这种结构导致明显的形状各向异性并可控地调控磁化行为。目前已探索了多种制备CoNFs的方法，包括水热合成[6]、分子自组装[7]、模板辅助生长[8]和电沉积[9]。每种方法根据所需的形态和性质具有各自的优势。其中，静电纺丝技术因其简单、经济且可扩展性而脱颖而出，能够从聚合物或金属盐溶液中制备出直径在纳米级别的连续纳米纤维。尽管通常需要经过煅烧和热还原等后处理才能获得金属纳米纤维，但静电纺丝的多功能性和可行性使其成为制备一维磁性纳米结构的有前景的方法。

静电纺丝制备的CoNFs已在多个应用领域展现出巨大潜力，包括自旋电子学[10]、催化[11]、生物医学[12]、[13]和高性能永磁体[14]。它们的磁性质主要受形状各向异性和纳米尺度限制的影响，通常表现为较高的矫顽力和剩磁。这些特性使CoNFs成为设计功能性一维铁磁器件的理想材料。

尽管取得了这些进展，但仍存在一个主要挑战：在整个制备过程中实现对CoNFs结构和磁性质的可控性。在这方面，静电纺丝后进行热处理已被证明是一种有效的方法，可用于制备具有可调磁性能的金属纳米纤维[15]、[16]、[17]、[18]。

在本研究中，我们提出了一种可重复且可扩展的制备金属钴纳米纤维的方法，包括静电纺丝、随后依次进行煅烧和热还原。通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）和能量色散X射线光谱（EDS）对制备的CoNFs进行了全面的形态、结构和成分表征，并通过磁光克尔效应（MOKE）测量研究了其磁性质。为了补充实验结果，还进行了微磁模拟以阐明磁化反转机制。这种综合方法加深了对一维铁磁纳米结构的理解，并为下一代磁性和自旋电子技术材料的开发提供了支持。

尽管静电纺丝后热处理已被广泛用于钴纳米纤维的制备，但本研究的目的并非引入新的合成方法。其创新之处在于对静电纺丝多晶钴纳米纤维的磁化反转过程进行了实验和微磁联合研究。通过将磁光克尔效应测量结果与微磁模拟直接关联，本研究揭示了在实际纳米纤维几何结构中的主导磁化反转机制，同时考虑了曲率、FCC/HCP相共存以及磁静力效应。据我们所知，此前尚未有针对静电纺丝钴纳米纤维的此类综合分析。

部分内容

通过静电纺丝制备金属钴纳米纤维

使用定制的静电纺丝系统制备了钴纳米纤维（CoNFs）。首先，将0.3克六水合硝酸钴（Co(NO₃)₂?·?6H₂O）（Sigma-Aldrich，纯度99.98%）和2.5克聚维吡咯烷酮（PVP，Sigma-Aldrich，分子量约1,300,000）溶解在25毫升乙醇（Merck，分析级）中，并在加入硝酸（HNO₃，2% v/v）酸化的乙醇介质中持续搅拌，以促进前驱体的溶解并提高溶液稳定性。

形态和微观结构表征

利用扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDS）和透射电子显微镜（TEM）研究了纳米纤维的形态、化学和纳米尺度结构特征，如图2和3所示。

静电纺丝得到的聚维吡咯烷酮（PVP）/硝酸钴复合纤维具有均匀的圆柱形形态，表面光滑，且在平面内随机取向。

结论

本研究对通过可扩展工艺制备的静电纺丝多晶钴纳米纤维的磁化反转过程进行了实验和微磁联合分析。虽然基于静电纺丝的合成方法及所采用的各项结构和磁性质表征技术已较为成熟，但本研究的创新之处在于将磁光克尔效应测量结果与微磁模拟直接关联起来。

未引用参考文献

图6。

CRediT作者贡献声明

Piero Terruzzi：撰写初稿、可视化处理、软件开发、方法设计、实验研究、数据管理。Daniela Alburquenque：撰写与编辑、结果验证、项目监督、资源协调、方法设计、实验研究、资金争取、概念构思。Eduardo Saavedra：撰写初稿、可视化处理、项目监督、软件开发、方法设计、实验研究、数据管理。Juan Escrig：撰写初稿、结果验证、项目监督、资源协调

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。