Au掺杂对L10相FePt纳米颗粒的结构和磁性的影响

杨景海，姜雨虹

(吉林师范大学物理学院，吉林 四平 136000)

0 引言

近年来，具有面心四方结构(即FCT结构)的L10-FePt纳米颗粒引起了人们的广泛关注，因为具有L10结构的FePt合金具有非常高的磁晶各向异性能(Ku约107erg/cm3)［1-2］和超高的化学稳定性［3-4］，是超高密度磁记录介质的首选材料［5-7］.然而直接制备出的FePt颗粒一般具有无序的面心立方结构(即FCC结构)，其化学性质为很低的磁晶各向异性和软磁性，这都不利于它的应用.要想把FePt颗粒从无序相转化为有序相，需要500℃以上的高温退火［8-9］.但是，如此高的退火温度会损害FePt颗粒的表面性质，从而导致颗粒的增长和团聚的发生，以上提到的问题对于将其应用于超高密度磁记录非常不利.此外，高温退火在工艺上很难达到要求，不利于其广泛的生产.很多研究者致力于降低FePt发生相转变所需要的烧结温度.其中在FePt中添加第三种金属，例如Au，Cu或Ag可以有效的解决这一问题［10-14］.虽然FePt的相转变温度降低了，但是合成时需要的Fe(CO)5试剂却有很大的毒性，这很不利于FePt的工业生产.

在本篇文章中，我们用改进的溶胶—凝胶法合成了(FePt)100-xAux(x=0%，5%，10%，20%)纳米颗粒，并且用无毒的Fe(NO3)3试剂代替有毒的Fe(CO)5.同时，我们研究了Au含量对FePt颗粒结构和磁学性能的影响.

1 实验

1.1 样品制备

用改进的溶胶—凝胶法合成了(FePt)100-xAux纳米颗粒，其中x=0%，5%，10%，20%.制备样品所需试剂主要包括:九水合硝酸铁(Fe(NO3)3·9H2O)、六水合氯铂酸(H2PtCl6·6H2O)、一水合柠檬酸(C6H8O7·H2O)、四氯金酸(AuCl3·HCl·4H2O)，所有药品纯度均为分析纯.主要的实验步骤在我们之前发表的论文上已经阐述过了［15］.其中做出的主要改进就是:当得到由氯铂酸、硝酸铁和柠檬酸作为反应原料搅拌后形成的FePt湿溶胶后，还需继续在混合溶液中分别加入不同摩尔浓度的四氯金酸溶液，随后将得到的溶液继续搅拌得到FePtAu湿溶胶.然后将FePtAu湿溶胶放在干燥箱中，在80℃下干燥24 h，得到干溶胶.然后升温至130℃脱水膨化得到样品的前驱体，最后将前驱体在氩气气氛中进行600℃热处理2 h后，即可制备得到(FePt)100-xAux纳米颗粒.

1.2 样品表征

晶体结构通过D/max-2500型X射线衍射仪(XRD)和日本电子JEM-2100HR型透射电子显微镜(TEM)进行表征.在±2 T场强下采用Lake Shore的7407型振动样品磁强计(VSM)对退火后的样品进行磁性测量.

2 结果与讨论

图1为添加不同含量的Au的FePt颗粒的XRD谱图.对于没添加Au的(FePt)100Au0样品而言，超晶格衍射峰(001)和(110)在23.86°和 32.83°观察到，并且可以看到(200)衍射峰劈裂为(200)和(002)两个峰，这些位置和面心四方结构的FePt的JCP-DS标准卡片(No.43-1359)吻合，证明形成了有序的L10相FePt.此外，40.10°所对应的(111)衍射峰和无序相的FePt对应，这说明此时是有序相和无序相FePt共存的状态.然而，在(FePt)100-xAuxNPs(x=5%，10%，20%)这三个样品中已经看不到无序相的衍射峰存在，说明这几个样品只有有序相存在.这表明添加Au可以促进FePt颗粒从无序相向有序相的转变，并且和不添加的样品相比，相转变温度至少降低了100℃［16］.同时，在添加Au的样品中我们可以清楚的看见Au的衍射峰，并且衍射峰的强度随着Au含量的增多逐渐加强，这是由于Au具有较低的表面能，所有它很容易从FePt合金中分离出来［17］.

图1 600℃退火后所制得的(FePt)100-xAux样品的XRD谱图

图2为没有添加Au时FePt纳米颗粒的TEM图片.从TEM图上可以看出，纳米颗粒近似于球形，样品的分散性总体上较好.从图2(a)的选区电子衍射图(SAED)中我们可以看到有序相FePt的超晶格衍射峰(001)和(110).图2(b)的高分辨电子衍射图表明样品的晶格间距为0.220nm，这一结果和有序相FePt的(111)晶面相对应.通过高斯分布我们可以计算出样品的平均晶粒尺寸在12.6nm左右(图2(c)).

图2 (a)(FePt)100Au0的透射电镜图，插图为样品的选区电子衍射图，(b)样品的高分辨图谱，(c)样品的晶粒尺寸分布图

相对于不添加Au的纯FePt纳米颗粒，(FePt)90Au10样品的平均晶粒尺寸增加到了22nm左右，如图3(a)所示.Nandwana等人也报道了相似的结果，并认为晶粒尺寸的增加可能是由于Au的表面能较低［18］.图3(a)中的插图为样品的选区电子衍射图，我们可以看到样品的(001)，(110)，(111)，(200)，(220)和(311)衍射环，这表明Au的添加没有破坏FePt的有序相结构.从图3(b)的高分辨衍射图可以测量出样品的晶面间距为0.220nm，这和L10相FePt的(111)晶面是相吻合的，这个结果也与XRD的结果相互佐证.

图3 (a)(FePt)90Au10的透射电镜图，插图为样品的选区电子衍射图，(b)样品的高分辨图谱

图4是(FePt)100-xAux(x=0%，10%，20%)纳米颗粒的磁滞回线.从该图可以看出，不掺杂Au的(FePt)100Au0样品的矫顽力仅有5250 Oe，当Au的掺杂含量为10 at.%时，矫顽力增加到9585 Oe，矫顽力的增大是由于Au的掺杂降低了FePt的有序化温度，提高了FePt的有序化程度;另一方面，Au掺杂使粒子的平均晶粒尺寸增加，这和前面的TEM测试结果一致.当进一步把Au的含量提高到20 at.%，时，矫顽力的值反而下降了，这和之前Kang等人报道的结果相同［19］.

图4 室温下(FePt)100-xAux的M-H曲线

3 结论

我们用改进后的溶胶—凝胶法成功合成了(FePt)100-xAux(x=0%，5%，10%，20%)纳米颗粒，经过600℃的退火处理后，(FePt)90Au10样品的矫顽力可以达到9585 Oe，这与相同温度下不掺杂时FePt颗粒的5250 Oe有很大的提高.另外，Au的掺杂可以有效的降低FePt的相转变温度，并且使晶粒的平均尺寸增大.

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