[摘要] 有序磁性納米結(jié)構(gòu)材料是制備磁性納米器件的基礎(chǔ)。本文評述了有序磁性納米結(jié)構(gòu)材料的性質(zhì)及應(yīng)用，并討論了其制備技術(shù)及存在的問題，探討了有序磁性納米結(jié)構(gòu)材料制備技術(shù)的未來發(fā)展方向。

[關(guān)鍵詞] 納米材料 有序磁性 制備技術(shù) 自組裝制備

一、有序磁性納米結(jié)構(gòu)性質(zhì)及應(yīng)用

有序磁性納米結(jié)構(gòu)是以納米尺度的磁性物質(zhì)結(jié)構(gòu)單元為基礎(chǔ)，按一定的規(guī)律構(gòu)筑或營造的一種新的體系，這些基本結(jié)構(gòu)單元主要包括磁性的納米微粒、納米管、納米線、納米棒、納米絲等。磁性納米材料雖然具有很多獨(dú)特的性質(zhì)，但無序的排列并不能在宏觀上體現(xiàn)這些性質(zhì);而有序的磁性納米結(jié)構(gòu)，在宏觀聚集體中以有序的幾何構(gòu)型，使宏觀的磁性效應(yīng)能夠得到很好的控制和修飾。從實(shí)際應(yīng)用講，有序磁性納米結(jié)構(gòu)也是制作磁性隨機(jī)存取存儲器、高密度磁記錄介質(zhì)、磁開關(guān)和微機(jī)械傳感器等微小型器件的基礎(chǔ)，因此有序磁性納米結(jié)構(gòu)的制備技術(shù)成為發(fā)展磁性納米器件的關(guān)鍵。

二、有序磁性納米結(jié)構(gòu)制備技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.平板印刷術(shù)

平板印刷術(shù)是制備有序磁性結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的方法。它是在外層掩膜的基礎(chǔ)上利用不同的光源輻照適當(dāng)?shù)墓饪棠z而形成二維或三維的圖案，再利用濕法或干法刻蝕術(shù)或者后續(xù)的沉積技術(shù)等一系列手段來實(shí)現(xiàn)圖案的轉(zhuǎn)移過程。輻照光源的波長決定了平板印刷術(shù)的分辨率，因此要得到不同特征尺寸和幾何形狀的圖案結(jié)構(gòu)，可以通過使用具有不同波長的光源，比如紫外可見光、電子束、離子束和X射線等。目前用于制備磁性有序納米結(jié)構(gòu)的印刷術(shù)中較常見的主要有:電子束印刷術(shù)、X射線印刷術(shù)、干涉或全息印刷術(shù)等以及基于原子力顯微鏡和掃描隧道顯微鏡一些印刷術(shù)，比如浸筆納米印刷術(shù)等。

2.自組裝法

自組裝是生命最本質(zhì)的內(nèi)容之一，如人體體內(nèi)的蛋白質(zhì)、核酸等復(fù)雜的超分子系統(tǒng)正是通過自組裝而形成的。在化學(xué)合成方法中，自組裝法是一種獲得磁性有序納米結(jié)構(gòu)的最有效的方法。所謂自組裝，是指原子在底物上或溶液中自發(fā)地排列成有序的空間結(jié)構(gòu)。自組裝過程是不需要人為干涉介入，而溶液中的原子、分子、分子團(tuán)和組件自動排列成有序的一維、二維甚至三維空間結(jié)構(gòu)的過程，其主要原理是通過分子間力的協(xié)同作用和空間互補(bǔ)，如靜電吸引、氫鍵、疏水性締合等來形成一定結(jié)構(gòu)的體系。自組裝過程的關(guān)鍵是界面分子識別，它是兩個自組裝的分子通過一種界面驅(qū)動力來產(chǎn)生特定結(jié)合的過程，這種驅(qū)動力可以通過加入額外連接分子的方式實(shí)現(xiàn)，比如表面活性劑。其驅(qū)動力包括氫鍵、配位鍵、堆積效應(yīng)、范德華力、靜電力和長程作用等。根據(jù)合成原理的不同，自組裝法可以分為蒸發(fā)溶劑組裝法、模板誘導(dǎo)組裝法和外界磁場誘導(dǎo)自組裝法。

在蒸發(fā)溶劑組裝法中，形成有序結(jié)構(gòu)的驅(qū)動力主要是范德華力，因此蒸發(fā)溶劑組裝法的關(guān)鍵點(diǎn)為:兩個結(jié)合單元、界面層分子(表面活性劑)，以及組裝過程中的驅(qū)動力過大造成的粒子團(tuán)聚問題，因此粒子間的排斥力和不可逆聚合力應(yīng)該在一定的范圍之內(nèi)，但是磁性納米結(jié)構(gòu)材料往往由于自身磁性偶極子的相互作用而產(chǎn)生不可控的團(tuán)聚，很難通過化學(xué)合成的方法獲得穩(wěn)定的有序納米磁性結(jié)構(gòu)材料。

模板自組裝合成的原理很簡單，設(shè)想存在一個一定尺寸(納米)的孔，讓材料的成核和生長就在該孔里發(fā)生，則在反應(yīng)完畢后，孔的大小和形狀就決定了產(chǎn)物的尺寸和結(jié)構(gòu)，這些孔就可以理解為模板合成法中的模板。具有納米孔道陣列的多孔氧化鋁、介孔分子篩和多孔SiO2等是應(yīng)用最廣泛的模板，常用來制備磁性納米線或棒的有序陣列結(jié)構(gòu)。模板法來制備有序磁性納米結(jié)構(gòu)材料可以有效的排除磁性材料自身的磁相互作用引起的團(tuán)聚等現(xiàn)象;一些人造或天然的高分子材料，如聚苯乙烯、蛋白質(zhì)和DNA等也也被用來作為制備磁性有序納米結(jié)構(gòu)的模板。模板合成技術(shù)可以同時解決顆粒尺寸、形狀控制和分散穩(wěn)定性問題，因此利用和設(shè)計模板就顯得尤為重要。

通?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)外界溫度、氣氛、壓力等來控制磁性納米粒子的合成及組裝特性，但是為了更好的人為操縱納米粒子的自組裝行為，磁場同樣也應(yīng)該可以用于操縱納米材料的組裝行為并構(gòu)建有序的磁性納米結(jié)構(gòu)。磁場誘導(dǎo)自組裝法就是在合成過程中，外加磁場對合成過程中磁性粒子的運(yùn)動和組裝特性進(jìn)行人為干預(yù)。磁場誘導(dǎo)合成有序磁性納米結(jié)構(gòu)的研究在國際上還較少，國內(nèi)熊等在這方面開展了一些工作，其面臨的主要問題是磁性納米粒子的穩(wěn)定性和粒子之間的不可逆團(tuán)聚，通過在其表面包覆“惰性”材料來形成所謂的殼層結(jié)構(gòu)，這些殼層材料的存在不僅可以解決磁性納米粒子的穩(wěn)定性問題以及不可逆團(tuán)聚問題，而且可以一定程度地調(diào)節(jié)磁性納米粒子間的相互作用，在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)調(diào)節(jié)都有突破。

利用平板印刷術(shù)來制備有序磁性納米結(jié)構(gòu)已經(jīng)得到現(xiàn)代化生產(chǎn)的應(yīng)用，但是設(shè)備昂貴、工藝流程復(fù)雜以及分辨率較低等因素制約了其發(fā)展，而利用各種自組裝技術(shù)來制備得到有序磁性納米結(jié)構(gòu)材料正逐漸受到研究人員的關(guān)注，但由于磁性納米粒子本身磁相互作用容易破壞結(jié)構(gòu)的有序性，因此自組裝技術(shù)還停留在研究階段，預(yù)期未來可以廣泛地采納到有序磁性納米結(jié)構(gòu)材料的組裝現(xiàn)代化應(yīng)用上去。

有序的磁性納米結(jié)構(gòu)不僅具有很重要的基礎(chǔ)研究價值，同時也是制作磁存儲器等微小型器件的基礎(chǔ)。因此探索獲得有序磁性納米結(jié)構(gòu)的新方法，揭示有序磁性納米材料的微觀作用機(jī)制對進(jìn)一步器件的應(yīng)用有著重要的意義。

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