形貌可控的Fe3O4纳米粒子的水热合成及磁性能研究

制备得到的Fe₃O₄纳米粒子的微观形貌如图2所示。从图中可以看出，反应条件不同，所得样品的形貌大不相同。图2a为样品1的低倍SEM照片，制备得到的Fe₃O₄纳米粒子主要由直径约为100～250nm，长度约为3～5μm的纳米棒组成。粒子尺寸如扫描电镜图像所示分布范围较窄，但中间夹杂着少量不同形状和尺寸的Fe₃O₄粒子，并有一些小的Fe₃O₄纳米粒子附着在纳米棒上，这可能是最初的反应产物以及粒子间的静磁相互作用或结晶不够完全所致。图2b为样品1的高倍SEM照片，由图片可以看出，纳米棒整体比较光滑，但其表面上有叠加的痕迹，说明棒状的纳米粒子并非是初级粒子，而是由Fe₃O₄初级粒子经历二次成核和二次生长得到的。

图2c为样品2的低倍SEM照片，产物主要为四方体形状的Fe₃O₄粒子。粒

子尺寸分布均匀，且分散性较好，粒径的平均尺寸大约为1左右。图2d为样品2的高倍SEM照片，由图片可以看出，四方体的表面附有大量薄片状的Fe₃O₄

纳米粒子，并且四方体的楞上有明显的的叠加痕迹，意味着四方体形纳米粒子也是由Fe₃O₄初级粒子经历二次成核和生长得到的二次晶化粒子。

图2e和2f为把实验1中反应溶剂高纯水换成丙醇而其他反应条件不变时所获得的样品3的SEM照片水热法物理论文，由图片可以看出，所制得的Fe₃O₄纳米粒子主要呈球形，粒径的平均尺寸大约为30nm左右，团聚现象比较严重。这主要是由于样品3的球形Fe₃O₄纳米粒子的结晶性较差造成的，而且Fe₃O₄本身具有磁性，又是纳米级，颗粒比表面能很大，粒子之间吸引比较强烈等都易导致团聚现象的产生。

2.2 样品的磁性能分析与讨论

材料的磁性能被认为高度依赖于样品的形貌、结晶性、磁化方向等^[24]。为了研究Fe₃O₄纳米粒子形貌与其磁性的关系，用振动样品磁强计测定了不同形貌的Fe₃O₄纳米粒子的室温磁滞回线，所有产物均显示铁磁性，如图3所示。图中的插图显示了低场磁滞回线的放大部分。样品的饱和磁化强度（M_s）、剩余磁化强度（M_r）和矫顽力（H_c）的值列于表1中期刊网论文格式。

图3 样品的室温磁滞回线

(1)棒形Fe₃O₄纳米粒子 (2) 四方体形Fe₃O₄纳米粒子 (3) 球形Fe₃O₄纳米粒子

表1 Fe₃O₄纳米粒子试样的磁性参数

从表1可以看出，棒形和四方体形貌的Fe₃O₄纳米粒子的饱和磁化强度都比球形Fe₃O₄纳米粒子的饱和磁化强度高，其中纳米棒的最高。四方体Fe₃O₄纳米粒子的矫顽力明显高于其他形貌的Fe₃O₄纳米粒子。这主要是因为材料的磁性能受很多因素的影响，例如粒径尺寸、结构、形貌、结晶状况、晶格缺陷以及磁化方向等^[25,26]。在本研究中，球形Fe₃O₄纳米粒子的M_s最低，这主要归因于其较差的结晶性和较小的晶粒尺寸，据报道，磁性粒子的饱和磁化强度随着粒径尺寸的增大或结晶性的提高而增大^[26]。从XRD谱图中其宽而强度较弱的衍射峰和SEM照片中其粒子分散性差，团聚现象严重等都可以看出球形Fe₃O₄纳米粒子的结晶性较差，由SEM图片还可以看出，球形Fe₃O₄纳米粒子的颗粒尺寸明显比棒形和四方体形的小，所以其饱和磁化强度和剩余磁化强度较小。而Fe₃O₄纳米棒相对较高的M_s和较低的H_c主要是由于其形状各向异性引起的。从前面的XRD图谱上可以看到Fe₃O₄纳米四方体的衍射峰相对于纳米棒的衍射峰强度明显变大且峰宽变窄，特别是强衍射峰（311）锐化最为明显。说明四方体Fe₃O₄纳米粒子比棒形Fe₃O₄纳米粒子具有更好的结晶性，但其饱和磁化强度却低于棒形Fe₃O₄纳米粒子，说明影响其磁性能的主要因素并不是结晶性而是其形貌。众所周知，对于棒状磁性材料，其退磁作用可表示为，N_D为退磁因子，L为棒长水热法物理论文，d为直径，对很长的棒可认为L=∞，N_D=0，所以棒状结构相对于分散的纳米粒子显示了一个更小的退磁因子N_D，退磁因子N_D减小的结果使得饱和磁化强度增加，所以棒的饱和磁化强度比其它粒子的高^[19]。根据磁性物理学的基本定理，（其中为矫顽力，k为磁晶各向异性能，M_s为饱和磁化强度），自然也就理解其较低而四方体Fe₃O₄纳米粒子的较高的原因了。因此，除了结晶状况等影响因素外，形貌也是决定纳米粒子磁性能的一个重要因素。

3 结论

总之，我们通过调控反应前驱物和反应介质，利用一种简单的水热路线成功合成了球形、四方体形以及棒形等Fe₃O₄纳米粒子；通过对所制备的Fe₃O₄产物的磁性能进行分析，发现形貌对其磁性有很大的影响，球形、四方体形、棒形Fe₃O₄纳米粒子的饱和磁化强度和剩余磁化强度依次增强，但四方体形Fe₃O₄纳米粒子的矫顽力明显高于其他形貌的Fe₃O₄纳米粒子。表明，控制合成具有不同形貌的Fe₃O₄纳米粒子不论对于基础研究还是潜在的应用价值来说，都具有重大的意义。

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