초음파 기상합성법에 의한 ordered L10 FePt 나노 합금입자 합성

Abstract

Recently, the magnetic properties of FePt nanoparticles with high anisotropy have been extensively studied for advanced applications such as high-density recording media. Vapor deposition and wet-chemistry syntheses have been known as the methods developed for the synthesis of FePt nanoparticles. Sputtering, for example, is a representative vapor deposition process used to form thin films with a grain size of a few nanometer from highly pure Fe and Pt targets. Also, the chemical synthesis method developed by Sun et al., enabled to produce well dispersed FePt nanoparticles through the decomposition of iron pentacarbonyl, Fe(CO)_(5) and the reduction of platinum acetylacetonate, Pt(acac)₂. in the media. However, as-synthesized particles always require an additional heat-treatment step for the phase transformation to ordered L10 fct structure at temperatures over 500oC. Moreover, such post heat-treatment is accompanied by severe hard agglomeration of particles and finally degrade the magnetic properties of FePt nanoparticles. In this sense, a modified method using ultrasonic-assisted gas phase synthesis was applied to prevent hard agglomeration and to avoid inter-particle sintering. The ultrasonic gas phase process utilized the advantages of chemical synthesis and chemical vapor condensation (CVC) process, which synthesized tailored FePt nanoparticles by one-step process. As precursors, Fe(acac)₃ and Pt(acac)₂ which have chemical stability at room temperature were used to control the stoichiometry of FePt nanoparticles. From ultrasonic generation of acetylacetonate dissolved in organic solvent, fine precursor droplets of a few micron in size were formed. The droplets were delivered into reactor by He, carrier gas and decomposed at various temperature and pressure conditions. Finally, FePt nanoparticles were synthesized from homogeneous nucleation and growth in the reactor and condensed on reactor wall maintained at room temperature. From XRD results, it was found that the phase transformation of FePt nanoparticles from disordered fcc to ordered fct structure was successfully achieved at temperatures over 800oC. However, at temperatures lower than 800oC, no evidence of transformation was observed but g-Fe₂O₃ phase was co-existed in the particles. It is thought that decrease of residence time with decreasing reaction temperature can be responsible for such an incomplete reaction. The XRD results also showed that the 900oC sample consisted of only pure L10 phase. Also VSM measurement results showed that the coercivity of 900oC sample was 1.5 KOe. Conclusively, it was found that ordered L10 FePt nanoparticles were successfully synthesized by ultrasonic gas phase process. Also it was revealed that ultrasonic gas phase process was efficient to control agglomeration of particles.; 최근 자기기록매체로 사용하기 위한 단 분산된, 구형의 FePt 나노합금입자의 자기적 특성에 대한 많은 연구결과들이 보고되고 있다. 현재, FePt 나노입자합성은 기상 증착법과 화학적 합성법 두 가지 공정으로 나뉠 수 있다. 기상 증착법은 Fe와 Pt 타깃을 이용한 sputter 공정이 대표적이며, 수 마이크로 또는 수십 나노 두께의 박막을 layer by layer 형태로 특정 기판에 구현할 수 있다. 화학적 합성법은 iron pentacarbonyl, Fe(CO)_(5)의 열분해와 platinum acetylacetonate Pt(acac)₂ 을 환원하거나 또는 iron acetylacetonate, Fe(acac)₃을 사용하여 두 금속전구체의 환원 반응을 이용한 공정이다. 화학적 합성 공정은 수 나노 크기의 구형입자가 제조 가능할 뿐만 아니라 이를 이용하여 후막을 형성 할 수 있는 장점이 있다. 하지만 상기에서 제시한 두 공정의 경우 초기 제조 입자가 disorder fcc 상을 가지므로 자기 저장매체에 적용하기 위한 자기 이방성을 만족시키지 못한다. 따라서 초기 제조된 입자는 500℃ 이상의 온도에서 높은 자기이방성을 가진 ordered L10 fct상으로 상변태 열처리를 필요로 한다. 그러나 입자는 열처리 공정 동안 결정립의 응집 및 조대화가 발생하여 자기적 특성을 감소시킨다. 이에 본 연구에서는 열처리 문제를 효율적으로 해결하고자 기상증착과 화학적 합성의 장점을 이용한 새로운 공정을 제시하였다. 실험에서는 금속 전구체를 이용한 화학적 합성법과 기상을 이용한 Chemical Vapor Condensation(CVC)공정을 이용하여 합성과 상변태를 동시에 유도하고자 하였다. 금속전구체의 이용은 화학적 조성 제어가 쉬우며 균일한 조성의 입자를 얻을 수 있고, 또한 초음파 분무 장치를 적용하여 시료용액을 주입함으로써 초기 기상의 액적 크기를 최소화 할 수 있다. 시료용액은 초음파 발생장치에 의해 수 마아크론 크기로 분무되며, 이때 형성된 초기 액적은 CVC의 고온 반응관을 거쳐 분해와 균질핵생성의 반응을 거친다. 이후 일정 체류시간 이상에서는 합성과 상변태를 단일 공정 내에서 유도하고자 하였다. 따라서 본 연구에서 제시한 초음파기상합성공정을 통해 제조 후 열처리 없이 직접적으로 ordered L10 fct 구조의 FePt 나노입자를 제조할 수 있다. XRD 분석결과 800℃에서 합성과 함께 disordered fcc에서 ordered L10 fct 구조로 상변태가 시작되었다. 반면 보다 낮은 반응온도와 짧은 체류시간 내에서는 상변태가 일어나지 않았을 뿐만 아니라 γ-Fe₂O₃의 산화물이 함께 생성됨을 확인하였다. 이는 액적의 분해 이후 형성된 이온클러스터가 불충분한 합성 반응으로 주변 유기물과 재반응하여 γ-Fe₂O₃와 같은 산화물이 형성되었다. 하지만 900℃ 이상에서는 온도에서 산화물이 없는 규칙격자를 가진 패턴을 확인 할 수 있었고, 반응 체류시간에 비례하여 장범위 규칙화가 이루어짐을 알 수 있었다. 이때 제조된 ordered L10 FePt 나노합금입자는 Vibrating Sample Magnetometer(VSM)결과 최대 1.5 e의 강자성 특성을 나타내었다. 상기의 결과를 통해서 기존의 연구에서 발생했던 제조입자의 응집 및 소결의 문제를 해결 할 수 있었고, 자성저장매체로서의 가능성을 확인 하였다. 또한 공정의 단순화는 대량화와 공정비용의 감소 등의 효과를 예상할 수 있다.