摘要
磁纳米阵列是一类重要的基础电子材料，在磁记录、微波、催化等多领域颇具应用前景，自1994年合成纳米阵列以来，迄今已有20余年。在研究初始，研究者普遍预测纳米阵列可能会呈现出许多不同于常规纳米结构的独特性能，这是因为阵列不仅具有常规一维结构，而且还是一个独特的有序密排体系，并基于此提出了许多新颖的应用设想，如量子存储器等。然而迄今，磁纳米阵列距广泛应用仍差距巨大，其重要原因是：（1）常规磁纳米阵列的调控方法主要有成分、直径和间距，可调控手段不够丰富；（2）阵列的磁微观机制认识迄今尚不清楚。阵列内纳米线之间磁相互作用的微观机制是构筑阵列磁特性的理论基础，然而由于阵列的纳米线嵌入模板中致使传统磁微观机制的研究手段不适用于阵列。 针对上述磁纳米阵列目前存在的调控手段不够丰富、磁微观机制尚未明确和常规研究微观机制手段不适用纳米阵列等问题，本文利用多孔氧化铝（AAO）为模板，合成一种梯度直径可调的Ni基磁纳米有序阵列（包括一元Ni、二元FeNi和三元FeCoNi），把轴向梯度直径作为新变量引入磁纳米阵列的电磁功能构筑中，采用一阶反转曲线（FORCs）技术来定量计算和分析梯度直径纳米有序阵列内的磁相互作用场和矫顽力场的三维空间分布，深入研究纳米阵列的磁相互作用机理和磁化反转机制，并进一步研究磁纳米阵列磁性能对温度依赖性的关系。为了与梯度直径磁纳米有序阵列对比，同时研究了不同均一直径磁纳米有序阵列相关的磁性能。本课题的开展，提供了一种具有直径梯度变化的磁性纳米有序阵列，将极大丰富纳米磁性材料和梯度材料的研究，对加深纳米阵列磁微观机制的理解和加强纳米阵列在高存储密度磁记录材料的应用具有十分重要的指导意义或参考价值。得到主要结论如下： （1）在恒压沉积电位为-1.0V，沉积时间分别约为2100s、4400s、8900s和6000s下，制备得到长满AAO模板的均一直径约为20、60、100nm和直径自20~100nm梯度变化且沿(220)方向择优生长的单晶Ni纳米线阵列；矫顽力随角度的变化和FORCs分析表明均一直径和梯度直径的Ni纳米线阵列均为单畴结构，其磁化反转模式均为一致反转，这说明在确定纳米线阵列的磁反转模式时需要考虑纳米线之间的磁相互作用；通过利用FORCs结合δM曲线分析表明梯度直径Ni纳米线阵列的磁相互作用是细端以长程的偶极相互作用为主，粗端以短程的交换相互作用为主，在其中部则存在一个两种力交叠作用的梯度演变区域；低温磁性能表明Ni纳米线阵列在低温时矫顽力显示非单调的演化趋势是磁弹各向异性引起的结果；高温磁性能表明梯度直径Ni纳米线阵列的热稳定性由其粗端主导，在高温时热扰动效应在磁各向异性竞争中占主导作用使Ni纳米线阵列的矫顽力和剩磁比随温度的升高而降低。 （2）在恒压沉积电位为-1.0V，沉积时间分别约为2800s、6400s、9900s和7800s下，制备得到长满AAO模板的均一直径约为20、60、100nm和直径自20~100nm梯度变化的多晶FeNi纳米线阵列；均一直径为60nm和100nm的FeNi纳米线阵列在外磁场角度变化时磁反转存在由涡旋反转向一致反转的过渡，而均一直径为20nm和梯度直径变化的FeNi纳米线阵列的磁化反转模式为一致反转；利用FORCs分析表明随着均一直径从20nm增加到60nm和100nm，FeNi纳米线阵列从单畴结构转变为多畴结构，不可逆组分从约100%减少到73.4%和71.6%，而梯度直径FeNi纳米线阵列的磁畴结构表现出单畴结构，且包含83.5%的不可逆与16.5%的可逆组分，这说明梯度直径FeNi纳米线阵列主要由纳米线细端的偶极相互作用主导；FeNi纳米线阵列的低温磁性能随着温度的降低都单调增加是其磁弹各向异性引起的结果；高温磁性能表明随着温度的升高，梯度直径FeNi纳米线阵列的饱和磁化强度比均一直径的降低幅度小，说明梯度直径FeNi纳米线阵列的热稳定性相对比较优异。 （3）在恒压沉积电位为-1.1V下，沉积时间分别约为1700s、2400s、3900s和2900s下，制备得到长满AAO模板的均一直径约为20、60、100nm和直径自20~100nm梯度变化的多晶FeCoNi纳米线阵列；均一直径为20nm的FeCoNi纳米线阵列的磁化反转机制为一致反转，60nm和100nm的FeCoNi纳米线阵列在外磁场角度变化时磁反转存在由涡旋反转向一致反转的过渡，同时梯度直径FeCoNi纳米线阵列的磁化反转机制也存在由涡旋反转向一致反转的过渡；利用FORCs分析表明随着均一直径从20nm增加到60nm和100nm，FeCoNi纳米线阵列从单畴结构转变为多畴结构，不可逆组分从约100%减少到71.3%和60.2%，而梯度直径FeCoNi纳米线阵列的磁畴结构与均一直径20nm的纳米线相同，表现出单畴结构，且包含72.8%的不可逆与27.2%的可逆组分，这说明梯度直径FeCoNi纳米线阵列主要由纳米线细端的偶极相互作用主导；FeCoNi纳米线阵列低温磁性能随着温度的降低都单调增加是磁相互作用和磁弹各向异性竞争的结果；在高于室温时，梯度直径FeCoNi纳米线阵列的矫顽力表现出随温度的升高而增大的反常变化，说明梯度直径FeCoNi纳米线阵列具有抵抗热扰动维持磁化取向的能力，有可能成为解决磁纳米记录材料面临着所谓“三元悖论”的材料。
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