聚苯胺功能化的磁性Fe?O?/MXene复合材料：具有可调负有机磁阻效应

《Composites Communications》：Polyaniline Functionalized Magnetic Fe 3O 4/MXene Composites with Tunable Negative Organic Magnetoresistance

聚苯胺/MXene复合材料磁阻调控研究。通过溶胶热处理及原位聚合制备Fe3O4-Ti3C2Tx/PANI复合材料，发现60 wt% Fe3O4负载时实现-11.13%负磁阻，显著高于Ti3C2Tx/PANI的4.65%正磁阻。结合波函数收缩模型和前向干涉模型分析，证实Fe3O4负载量与磁阻符号转变密切相关，为物联网器件开发提供新策略。

　　

姜国|马秀云|奚少华|毛勇|张燕|孙玉坤|吴文玲|朱建峰

材料科学与工程学院，教育部文物保护材料与技术重点实验室，陕西科技大学，西安，710021，中国

摘要：

具有室温磁阻（MR）的聚合物复合材料在物联网时代对于新兴的磁传感器和信息存储设备具有吸引力。在这项工作中，通过溶热法和原位聚合方法制备了功能化的磁聚苯胺（PANI）磁性Ti₃C₂T_x复合材料。通过用磁性Fe₃O₄颗粒修饰非磁性的Ti₃C₂T_x并调节Fe₃O₄在Ti₃C₂T_x上的负载量，可以有效控制室温磁阻。Ti₃C₂T_x/PANI (T/P)复合材料在2 T时表现出4.65%的正磁阻，而Fe₃O₄–Ti₃C₂T_x/PANI (FT/P)复合材料在Fe₃O₄–Ti₃C₂T_x中Fe₃O₄负载量为60 wt%时表现出-11.13%的负磁阻。结构和形态表征（SEM、TEM、XRD、FT-IR和XPS）证实了FT/P复合材料的成功制备。T/P中的正磁阻可以通过波函数收缩模型很好地解释，而FT/P复合材料的负磁阻则通过前向干涉模型定量拟合。评估了局域长度（a_{0）、跳跃距离（Rhop）和费米能级的态密度（N(EF）。所有样品的局域长度都随着磁场的增加而减小，并且T/P复合材料的局域长度明显大于FT/P复合材料。这项工作展示了一种简单有效的策略，可以在室温下实现可调的负磁阻，用于磁传感和数据存储应用。}

引言

磁阻（MR）是指材料在磁场作用下的电阻变化

^[1]。根据定义，磁阻可以分为正磁阻和负磁阻。磁阻有很多类型，如普通磁阻

^[2]、巨磁阻

^[3]、巨型磁阻^[4]、隧穿磁阻^[5]、有机磁阻^[6]和各向异性磁阻^[7]。磁阻信号不仅可以在有机自旋阀^[8]、[9]等电子设备中观察到，也可以在导电聚合物^[10]和磁性材料^[11]等常见材料中观察到。在所有导电聚合物中，聚苯胺（PANI）由于其易于合成、成本低廉、环保以及对酸碱条件有良好的耐受性^[12]、[13]，已被用于能量存储、电磁波吸收和传感器等领域。由于其独特的优势^[14]、[15]，研究人员对PANI复合材料进行了大量研究。Liu等人^[16]报道了用Cu-Sn合金颗粒增强的PANI纳米复合材料的优异导电性和稳定性。Li等人^[17]制备了具有增强铬(VI)吸附能力的聚苯胺中空微孔胶囊。

最近，室温下聚苯胺复合材料中的有机磁阻引起了研究人员的兴趣。Li等人

^[18]报道了石墨烯/PANI复合材料在室温下的可调磁阻行为。Gu等人^[19]在室温下的无序硅/聚苯胺纳米复合材料（PNCs）中发现了磁阻值，并使用波函数收缩模型和前向干涉模型分析了正负有机磁阻（OMAR）。由于Fe₃O₄易于制备、价格低廉以及独特的磁响应性^[20]、[21]、[22]，研究了Fe₃O₄对PANI磁阻行为的影响。例如，Lin等人^[23]发现Fe₃O₄/PANI复合材料在室温下的正磁阻可以达到85.7%。由于MXene具有独特的二维结构、优异的机械性能和导电性^[24]、[25]、[26]、[27]，已被广泛应用于电磁波吸收和能量存储等领域。然而，关于磁性Fe₃O₄-MXene/PANI复合材料的负磁阻行为的研究较少，目前尚未有报道Fe₃O₄负载量对Fe₃O₄-MXene/PANI复合材料负磁阻信号的影响。

在这项工作中，通过溶热法和原位聚合方法合成了Fe₃O₄-Ti₃C₂T_x/PANI复合材料。使用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、傅里叶变换红外（FT-IR）光谱和X射线衍射（XRD）等技术系统地分析了Ti₃C₂T_x/PANI、Fe₃O₄-Ti₃C₂T_x和Fe₃O₄-Ti₃C₂T_x/PANI复合材料。分别使用Mott变域跳跃模型和前向干涉模型分析了Fe₃O₄-Ti₃C₂T_x/PANI复合材料的电阻率和磁阻。

材料

HCl（盐酸）从国药化学试剂有限公司商业购买。NaOAc（≥99.7%）、HF（氢氟酸）（≥40%）、苯胺和APS（(NH₄)₂S₂O₈）从上海阿拉丁生物化学技术有限公司商业购买。Ti₃AlC₂（≥98%）从吉林亿一科技有限公司购买。EG（乙二醇，≥98%）从天津天利化学试剂购买。PG（1,2-丙二醇，≥99%）从上海阿拉丁生物化学技术有限公司购买。所有试剂均

结果与讨论

图1、2和S1展示了Ti₃C₂T_x、FT、T/P和FT/P复合材料的SEM和TEM图像。如图S1(a)所示，Ti₃C₂T_x呈现手风琴状的多层结构。对于FT复合材料（图1(b-d)，Fe₃O₄颗粒分散在Ti₃C₂T_x层表面并位于Ti₃C₂T_x层之间。在40-FT和60-FT复合材料中，Fe₃O₄颗粒分布均匀。然而，随着Fe₃O₄含量的增加，在80-FT复合材料中明显观察到Fe₃O₄颗粒的聚集现象。图S1(c-g)显示了

结论

本工作报告了Fe₃O₄-Ti₃C₂T_x/PANI复合材料的成功合成以及SEM、TEM和XPS表征结果。T/P复合材料表现出正磁阻（4.65%），而FT/P复合材料表现出负磁阻（-11.13%）。使用波函数收缩模型和前向干涉模型确定了局域长度、跳跃距离和费米能级态密度。这项工作为利用磁性颗粒将磁阻信号从正转变为负提供了一种新思路。

伦理批准

本声明“不适用”。

CRediT作者贡献声明

朱建峰：撰写 – 审稿与编辑。马秀云：撰写 – 原稿、方法学、数据管理。奚少华：撰写 – 原稿、形式分析。姜国：撰写 – 审稿与编辑、监督、概念构思。孙玉坤：撰写 – 审稿与编辑。吴文玲：撰写 – 审稿与编辑。毛勇：撰写 – 审稿与编辑。张燕：撰写 – 审稿与编辑

数据可用性

数据可根据要求提供。

资助

本工作得到了

国家自然科学基金（项目编号：62304126、陕西省教育厅重点科研计划（编号：23JY011）和陕西省千人青年人才计划研究基金的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。