超顺磁性氧化铁和lsmobcfo复合多铁薄膜的制备及其物性研究

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1、华中科技大学 博士学位论文 超顺磁性氧化铁和LSMO/BCFO复合多铁薄膜的制备及其物性研究 姓名:马铭 申请学位级别:博士 专业:材料物理与化学 指导教师:刘祖黎 2011-05-29 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 I 摘 要 氧化铁纳米颗粒具有超顺磁性和良好的稳定性,是作为磁共振造影剂的最佳材 料。磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging, MRI)是一项先进的医学成像诊断技 术, 已广泛应用于人体多种疾病的检测和早期诊断, 磁共振成像造影剂 (MRI Contrast Agent)是该技术的重要组成部分,它可以缩短成像时间,提高成像的对比度和清晰

2、 度。本文以超顺磁性氧化铁(Superparamagnetic Iron Oxide, SPIO)纳米颗粒为核心, 以葡聚糖为分散剂,通过水相共沉淀法制备了葡聚糖包覆的 SPIO,然后在表氯醇的 催化作用下,加入乙二胺,让氨基官能团取代葡聚糖表面的羟基基团,最终得到氨 基官能团修饰的 SPIO(SPIO- NH2)纳米颗粒。在制备工艺方面,对于 SPIO 氨基化 的实验工艺进行了探讨,找到了最佳的实验工艺,该工艺可让 SPIO- NH2表面的氨基 含量达到最大。我们通过晶体结构、磁性测量结果发现,SPIO- NH2在室温下具有较 好的超顺磁性,在磁共振仪下能够有效缩短家兔肝脏组织信号的驰豫时间

3、;另外, 将 SPIO- NH2纳米颗粒和带有荧光的多肽 Tat(FITC)进行偶联,得到了具有磁性/ 荧光双功能的纳米颗粒探针,它不仅能够进入神经干细胞内进行细胞标记,还能够 缩短神经干细胞的磁共振信号驰豫时间,做为磁性标记物。 多铁材料是指在一定温度范围内共存的铁电有序和磁性有序的材料,并且铁电 相和铁磁相的耦合作用还可以产生磁电效应,该材料在半导体器件方面具有重要的 应用前景,近几年来受到了全世界的广泛关注。多铁材料分为单相多铁材料和复合 多铁材料。复合多铁材料除了具有单相多铁材料所具有的优点之外,还能产生更强 的磁电耦合效应,因而其应用也更加广泛,受到的关注也越来越多。本文利用纯相 的

4、铁磁性材料和纯相的多铁材料来制备复合的多铁材料。 镧锶锰氧 (La0.67Sr0.33MnO3, LSMO)是一种钙钛矿结构的铁磁性材料,而铁酸铋(BiFeO3,BFO)也是一种典型 的钙钛矿型的多铁材料,其居里温度为 Tc =1103 K,奈尔温度为 TN = 643 K,在室温 下表现出共存的铁电性和很弱的反铁磁性。我们正是利用了 LSMO 的室温铁磁性和 BFO 的室温铁电性,通过溶胶- 凝胶法而制备了 LSMO/BFO 复合的多铁薄膜,并研 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 II 究了不同 BFO 层数的 LSMO(7 层)/BFO 复合多铁薄膜的结构、形貌、铁电性、介

5、电性等性质,研究发现复合多铁薄膜的铁电性较单纯的 BFO 薄膜有明显的增强。另 外,我们还通过 A 位 Ca 掺杂,制备了不同 Ca 掺杂比例的 Bi1- xCaxFeO3(BCFO)多 铁薄膜;之后再和 LSMO 层进行复合,制备出了 LSMO/BCFO 复合的多铁薄膜,同 时也研究了上述两类薄膜的结构形貌、铁电性、介电性等性质,研究结果发现 Ca 掺 杂可以明显提高 BCFO 薄膜的铁电性,这来源于 BCFO 薄膜的晶格结构变化,并且 还发现复合了 LSMO 层的 BCFO 薄膜,比单纯 BCFO 薄膜的铁电性要好,表现为具 有较大剩余极化强度和饱和极化强度,这来源于 LSMO 铁磁层和

6、BCFO 铁电层的磁 电耦合作用。 关键词:SPIO 磁共振造影剂 磁性/荧光标记 溶胶- 凝胶法 BCFO 薄膜 多铁薄膜 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 III Abstract Superparamagnetic iron oxide (SPIO) nanoparticles show superparamagnetism and good stability, which make them the best candidate for the widely used as a magnetic resonance imaging (MRI) contrast agen

7、t. MRI is a powerful clinical diagnostic modality for the detection and diagnosis of a wide varity of diseases. MRI contrast agent is a diagnostic agent that could be administered to a patient in order to shorten the relaxation times of protons in tissues in which the agent accumulates, enhancing th

8、e imaging contrast between normal and diseased tissue. In this thesis, as the SPIO is core, the dextran is dispersant, we synthezise the dextran- coated SPIO nanoparticles by coprecipitation technique at first; under the catalysis of epichlorohydrin, the ethylenediamine was added, the hydroxyl on th

9、e surface of dextran is replaced by the amino- group, finally amino- group functionalized SPIO (SPIO- NH2) was obtained. In preparation process, we focus on the functionalization of SPIO with amino- group, and optimize the preparation technology, in which the amount of surface amino- group of the SP

10、IO- NH2 nanoparticles is highest. The structure and magnetism of these SPIO- NH2 nanoparticles were also studied, it found that SPIO- NH2 nanoparticles possess superparamagnetic behavior. In a 1.5 T MR system, SPIO- NH2 nanoparticles can shorten the T2 signal relaxation time of liver tissue dramatic

11、ally. Furthermore, Tat (FITC) peptide was choosen to conjugated with SPIO- NH2 nanoparticles, we obtain the magnetic/fluorescent bifunctional labeling prode; The obtained probe not only can enter the neural stem cells for cells labeling, but also result in significant negative T2 signal contrast enh

12、ancement, and can be used for magnetically labeling in a MR system. In a certain temperature range, multiferroics shows coexistent ferroelectric order and magnetic order, the coexistent ferroelectricity and magnetism can couple with each other and result in magneto- electric effects, so the multifer

13、roics was considered to have important potential application in the semi- conductor devices, such as sensors, switches and modulators et al. In recent years, much attention were paid on multiferroics, which 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 IV can be divided into single- phase multiferroics and composite mult

14、iferroics. The composite multiferroics prior to single- phase counterpart since they can produce stronger magneto- electric effects, which makes them possess widely application value, and also evokes more and more attention. In this thesis, single- phase ferromagnetic material and single- phase ferr

15、oelectric material were adopted to prepare multiferroic composite thin films. La0.67Sr0.33MnO3 (LSMO) is a typical ferromagnetic material with perovskite structure; while BiFeO3 (BFO) is also a perovskite typed multiferroics, which ferroelectric- paraelectric transition Curie temperature is Tc = 110

16、3 K and its antiferromagnetic- paramagnetic transition Neel temperature is TN = 643 K, so BFO shows coexistent ferroelectricity and weak magnetism at room temperature. Based on the above, the ferromagnetic material LSMO (at room temperature) and the ferroelectric material BFO (at room temperature) were choosen to fabricate LSMO(7 layers)/BFO multiferroic composite thin films with different BFO layers by sol- gel

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