Persiapan dan Sifat Magnetik Kabel Nano Koaksial Tiga Lapis Nd/FM (FM=Fe, Co, Ni)/PA66
Abstrak
Metode persiapan baru kabel nano koaksial tiga lapis telah dikembangkan dalam pekerjaan ini. Kabel nano koaksial tiga lapis Nd/FM (FM=Fe, Co, Ni)/PA66 berhasil dirakit dari luar ke dalam lapis demi lapis. Tabung nano PA66 yang berfungsi sebagai kulit terluar dibuat dengan larutan polimer yang membasahi template AAO. Logam feromagnetik dan Nd diendapkan ke dalam nanotube PA66 yang telah disiapkan sebelumnya untuk masing-masing berfungsi sebagai lapisan tengah dan inti dalam. Hasilnya menunjukkan bahwa struktur memiliki efek pada sifat magnetik, dan preparasi kabel nano memungkinkan setiap lapisan, panjang, dan ketebalan kabel nano untuk disetel.
Latar Belakang
Kabel nano koaksial adalah jenis khusus dari struktur nano 1D dalam sistem komposit, yang telah menarik banyak minat karena struktur dan sifatnya yang unik. Oleh karena itu, kabel nano memiliki potensi aplikasi di bidang katalis, penyimpanan energi, bahan fotolistrik, nanobioteknologi, perlindungan lingkungan, sensor magnetik, dan media perekaman magnetik [1,2,3,4,5,6,7,8,9, 10,11]. Perkembangan media perekam magnetik dibatasi oleh superparamagnetik [12] dan batas perekaman bidang. Perekaman tegak lurus melibatkan perekaman data dalam kolom vertikal tiga dimensi, bukan dalam dua dimensi. Untuk mengatasi keterbatasan ini, baik struktur nanomaterial atau anisotropi efektif material dapat diinovasi dan ditingkatkan. Silinder feromagnetik disarankan sebagai media untuk mencapai tujuan ini.
Silinder feromagnetik termasuk kawat nano multilayer magnetik, kabel nano, dan nanotube feromagnetik dan kawat nano. Dibandingkan dengan nanotube feromagnetik dan kawat nano, kawat nano magnetik multilayer dan kabel nano telah efektif meningkatkan sifat magnetik [13,14,15,16] dan bidang aplikasi diperpanjang. Di antara berbagai metode preparasi, metode berbasis template adalah salah satu metode preparasi yang paling umum. Ukuran, bentuk, dan sifat struktural nanosilinder elektrodeposit dikendalikan oleh template dan parameter elektrodeposisi. Diketahui semua, bahan magnet permanen terdiri dari bahan feromagnetik dan logam tanah jarang. Terinspirasi oleh ini, kawat nano feromagnetik yang didoping dengan elemen tanah jarang disiapkan dan dapat mengubah sifat magnetik komposit [17]. Sejauh pengetahuan kami, kabel nano magnetik yang didoping-Nd jarang dilaporkan. Kami telah menyiapkan serangkaian susunan kabel nano multilayer yang didoping tanah jarang dan menyelidiki sifat magnetiknya [18].
Di sini, ikhtisar singkat tentang metode persiapan kabel nano canggih tanpa menggunakan zat pengubah apa pun disajikan. Kami menggunakan template anodized aluminium oxide (AAO), yang memiliki saluran reguler dan berbagai ukuran dan cocok untuk nanotube dan nanowire dan nanocable, untuk mempersiapkan Nd/FM (FM=Fe, Co, Ni)/PA66 triple-layer kabel nano koaksial lapis demi lapis. Lapisan terluar nanotube PA66 dibuat dengan solusi membasahi template AAO. Kulit luar yang terdiri dari nanotube polimer dapat menjaga inti logam bagian dalam agar tidak teroksidasi dan terkikis serta mempertahankan konduktivitas dan magnetisme yang sangat baik. Nanotube feromagnetik lapisan tengah dan kawat nano Nd internal diendapkan, dan pada gilirannya, elektrodeposisi dapat mengontrol struktur geometris secara efektif. Sifat magnetik dari kabel nano koaksial dipelajari.
Metode
Persiapan Nanotube PA66 dan Elektroda Kerja
Poliamida 66 (PA66) nanotube dapat diperoleh dengan membasahi template AAO (diameternya sekitar 200 nm, dan ketebalannya sekitar 60 m) dengan larutan asam format PA66 2-6 wt%. Setetes larutan PA66 ditempatkan pada slide kaca, dan kemudian, sepotong template AAO ditutup pada larutan PA66. Nanotube PA66 diperoleh setelah 40 detik. Lapisan film PA66 diperlakukan dengan asam format untuk membuat nanotube PA66 terbuka. Kemudian lapisan tipis Au disemprotkan pada sisi membran komposit PA66/AAO untuk digunakan sebagai elektroda kerja.
Persiapan FM (FM=Fe, Co, Ni)/PA66 Coaxial Nanotubes
Larutan elektrolit dibuat dari 0,7 M Ni
2+
, 0,8 M Co
2+
, dan 0,8 M Fe
2+
larutan air secara terpisah. 1.0 V/SCE untuk Ni
2+
, 1.2 V/SCE untuk Co
2+
, dan 1.2 V/SCE untuk Fe
2+
dipekerjakan untuk mempersiapkan nanotube Ni, Co, dan Fe, masing-masing, dalam nanotube PA66 selama 15 menit untuk mendapatkan nanotube ganda FM/PA66.
Persiapan Kabel Nano Koaksial Nd/FM/PA66
1,0 jt
3+
larutan elektrolit disiapkan, dan kemudian arus searah 2,5 V dimasukkan untuk menyiapkan kawat nano Nd ke dalam nanotube koaksial FM/PA66 selama 60 menit untuk membentuk kabel nano koaksial Nd/FM/PA66
Pada percobaan elektrodeposisi di atas, film platina digunakan sebagai elektroda lawan dan elektroda Ag/AgCl dalam larutan KCl jenuh sebagai elektroda referensi. Gambar 1 menunjukkan diagram skema persiapan kabel nano tiga lapis, sebagai berikut:
Diagram skema pembuatan kabel nano tri-layer:(A) template AAO, (B) larutan polimer, (C) tabung nano polimer, (D) membran polimer, (E) dan (F) gambar struktur dan bagian kabel nano
Karakterisasi
Pemindaian mikroskop elektron (SEM; JEOL JSM-6390LV) dan mikroskop elektron transmisi (TEM; CM200-FEG dilengkapi dengan GIF) digunakan untuk mengkarakterisasi struktur nano. Untuk pengukuran TEM, setetes (5 L) sampel yang diencerkan ditempatkan pada kisi tembaga dan diuapkan sebelum pengamatan. Analisis elemen diidentifikasi dengan difraksi sinar-X (XRD; Bruker D8 Advance dengan radiasi Cu-Kα, λ = 1.5418 ). Pengukuran magnetisasi dari nanotube ganda FM dan kabel nano Nd/FM/PA66 dilakukan pada suhu kamar pada magnetometer sampel bergetar (VSM; Lakeshore 7307).
Hasil dan Diskusi
Kami melakukan serangkaian percobaan kondisi untuk memastikan kondisi yang lebih baik yang membuat nanotube PA66 dan nanotube FM tumbuh menjadi panjang yang sama. Struktur nano dari nanotube FM/PA66 ditunjukkan pada Gambar. 2. Seperti yang terlihat dari gambar SEM yang ditunjukkan pada Gambar. 2a, c, e, nanotube FM dan nanotube PA66 memiliki panjang yang hampir sama, dan mulut nanotube hampir membuka. Setelah menghapus template AAO, nanotube FM/PA66 membentuk susunan reguler. Gambar TEM lebih lanjut membuktikan struktur nano dari nanotube double-layer. Seperti yang terlihat dari Gambar. 2b, d, f, dinding nanotube PA66 sebagai selubung kontinu. Dan nanopartikel FM didistribusikan secara merata di dinding bagian dalam nanotube PA66. Seperti yang dijelaskan dalam penelitian kami sebelumnya [19], diameter nanopartikel adalah sekitar 5 nm, dan setiap nanopartikel dianggap sebagai domain magnetik. Sejumlah nanopartikel FM bergabung bersama untuk membentuk nanotube FM. Oleh karena itu, nanotube PA66 dan nanotube FM membentuk nanotube koaksial dua lapis.
Gambar SEM:a Ni/PA66, c Co/PA66, e Fe/PA66; Gambar TEM:b Ni/PA66, d Co/PA66, dan f Fe/PA66
Logam tanah jarang merupakan salah satu unsur magnet permanen. Terinspirasi oleh ini, Nd diendapkan ke dalam nanotube dua lapis di atas untuk membuat kabel nano koaksial tiga lapis. Morfologi struktur nano Nd/FM/PA66 ditunjukkan pada Gambar 3. Gambar SEM menunjukkan bahwa struktur nano adalah multilayer dan memiliki panjang yang hampir sama (parameter ukuran struktur nano ditunjukkan pada Tabel 1). Kontras antara antarmuka polimer dan logam jelas ditunjukkan pada gambar TEM. Oleh karena itu, gambar TEM dari kabel nano Nd/Ni/PA66 pada Gambar 3b menunjukkan bahwa kontrasnya jelas antara lapisan luar dan lapisan dalam. Lapisan terluar adalah nanotube PA66 dengan dinding seragam dan kontinu, dan lapisan dalam terdiri dari Nd dan Ni. Ditampilkan bahwa lapisan dalam kompak. Kontras tidak dapat dikenali antara Nd dan Ni karena semuanya adalah logam. Seperti yang terlihat pada Gambar 3d, f, terlihat jelas bahwa struktur nano adalah struktur inti/kulit. Demikian juga, jelas kontras antara antarmuka PA66 dan FM dan tidak jelas antara kedua logam.
Gambar SEM:a Nd/Ni/PA66, c Td/Co/PA66, e Nd/Fe/PA66; gambar TEM khas:b Td/Ni/PA66, d Nd/Co/PA66, dan f Nd/Fe/PA66
Pola difraksi sinar-X untuk sampel ditunjukkan pada Gambar. 4. Puncak difraksi yang berbeda diamati pada 2θ dari 44,32° dan 75,72° konsisten dengan puncak difraksi (111) dan (220) bidang kristalin Co, dan puncak difraksi Fe (101) dan Fe (105) sesuai dengan 2θ = 44,32° dan 77,56°, dan puncak difraksi Ni (011) dan Ni (103) sesuai dengan 2θ = 44,32° dan 77,56°, berturut-turut. 2θ = 77,56° juga merupakan puncak difraksi khas Nd (206). Puncak difraksi (2θ 37,78°, 64,48°, 77,56°, dan 81,77°) Au yang diintroduksi oleh film Au tergagap yang digunakan untuk elektrodeposisi bersifat komprehensif, karena nilai Au besar, sehingga beberapa puncak Au tumpang tindih dengan Fe dan Co dan Ni.
Pola difraksi sinar-X Nd/Ni/PA66, Nd/Co/Pa66, dan Nd/Fe/PA66
Magnetisme semua sampel yang dienkapsulasi dalam template AAO diukur. Template AAO memiliki sejumlah antimagnetisme dan sedikit mengurangi energi magnetik sampel. Gambar 5a–f menunjukkan loop magnetization histeresis (M-H) dari kedua nanotube FM/PA66 dan kabel nano Nd/FM/PA66. Dapat dilihat bahwa baik nanotube dan nanocables memiliki anisotropi magnetik. Sangat mudah untuk dipahami bahwa kedua sistem memiliki diameter luar yang sama, yang menentukan anisotropi magnetik dari nanotube dan kabel nano. Kemagnetan kabel nano lebih kuat dari pada nanotube setelah diendapkan Nd. Ini karena Nd, sebagai logam tanah jarang yang khas, memiliki kopling spin-orbital yang besar, ketika nanopartikel Nd berdifusi ke FM dalam antarmuka komposit dan bekerja bersama dengan logam FM, yang mengarah pada efek sinergis dan meningkatkan anisotropi magnetik Nd/FM /PA66 kabel nano [20]. Berdasarkan Gambar 5, parameter magnetik dari ketiga sistem ditunjukkan pada Tabel 2. Dapat dilihat dengan jelas bahwa parameter magnetik kabel nano seperti koersivitas dan magnetisasi residual sejajar sumbu panjang lebih besar daripada arah vertikal dan nanotube.
Loop histeresis:a Ni/PA66, b Nd/Ni/PA66, c Fe/PA66, d Nd/Fe/PA66, e Co/PA66, dan f Td/Co/PA66
Kesimpulan
Array kabel nano tiga lapis Nd/FM (FM=Fe, Ni, Co)/PA66 masing-masing telah berhasil disiapkan. Kabel nano Nd/FM/PA66 menunjukkan anisotropi magnetik yang tinggi karena karakteristik logam tanah jarang dan efek sinergisnya dengan FM. Array kabel nano tidak hanya menyediakan struktur nano magnetik baru tetapi juga memiliki aplikasi potensial dalam penyimpanan magnetik tegak lurus dan perangkat elektronik.
