如何計算納米糰簇的結構和磁性

2020-12-08 騰訊網

　　計算思路解析：實驗與第一性原理相結合，研究FeNi合金不同相成分的結構。

　　研究背景

　　研究納米糰簇形狀與磁性的特性，可提供對納米尺度磁性基礎知識。FeNi合金是一種重要的標準雙金屬磁性體系，也是理論和實驗研究的熱點。

　　FeNi相圖中呈現出三塊明顯的區域（bcc、fcc、bcc+fcc），其中，bcc和fcc兩相結合的結構和性質至今沒有報導過。

　　計算內容

　　作者使用密度泛函理論（DFT）對FeNi合金不同相成分的結構進行了計算，同時結合實驗數據進行了詳細分析。

　　建模與思路

　　第一步：通過Welcome to MedeA Bundle中InfomaticA搜索到FeNi合金；

　　第二步：用Supercell Builder構建bcc和fcc相超晶胞有序結構（fcc和bcc有序結構為（Fe11Ni7）×6、（Fe5Ni3）×16；fcc和bcc無序結構為Fe67Ni47及Fe79Ni49）；

　　第三步：採用Random subsitutions構建無序結構；

　　第四步：採用MedeA-VASP模塊中DFT方法，對不同體系進行結構優化；

　　第五步：體系K點設置均採用k-point spacing of 0.5 -1進行計算；

　　第六步：泛函選擇為GGA-PBE；計算過程中考慮了自旋軌道耦合來計算總磁距。

　　分析計算結果

　　作者採用電沉積方法製備了CC NPs和COh NPs（CC為Concave cube；COh為cuboctahedron；NPs為Nanoparticles），見圖1。

　　隨後用EDX分析CC NPs和COh NPs合金組成，發現是Fe63Ni37，XRD分析晶格參數發現CC NPs和COh NPs合金是fcc和bcc相混合而成（見圖1(c)）。

　　圖1 SEM下CC和COh NPs圖像，(c)是CC和COh NPs的XRD圖像。

　　隨後作者使用MFM研究CC NPs和COh NPs磁距，見圖2。

　　從圖2中可以看到，CC NPs中鄰近NPs呈現出明顯的明暗交替，而COh NPs中絕大多數的鄰近團簇均顯示為暗色。

　　結果說明，對於CC NPs，其力矩比起COh NPs更容易翻轉，因此具有更低的矯頑性。

　　圖2 室溫下製備CC NPs和COh NPs，左側為形貌，右側為磁距。（a）、（b）是凹面立方納米糰簇（CC），（c）、（d）是立方八面體納米糰簇（COh）

　　理論研究結果

　　作者通過MedeA-VASP模塊對bcc和fcc晶胞的有序和無序結構進行優化，得到fcc和bcc有序結構穩定構型為（Fe11Ni7）×6、（Fe5Ni3）×16；fcc和bcc無序結構的穩定構型為Fe67Ni47及Fe79Ni49。

　　圖3a呈現了bcc和fcc有序及無序穩定結構構型與其結合能和磁矩，由此可得到不同結構形成的難易程度。對於bcc，有序結構較易形成；對於fcc，無序結構較易形成。

　　圖3b是文獻中實驗獲得fcc和bcc合金（30-38Ni%）磁矩值（Ms）及VASP計算bcc和fcc有序及無序結構的磁距對比值。

　　其中，上水平線（黑色）和下水平線（紅色）分別對應有序bcc結構（較穩定的bcc）和無序fcc結構（較穩定的fcc）的磁矩值，實驗值基本都在上下水平線之間。

　　圖3（c）為實驗過程中，fcc和bcc結合的相結構中，其磁矩與fcc相的含量函數曲線圖，我們發現磁矩與其結構相組成的線性規律十分明顯，這也說明了FeNi這種體系的磁性對結構形貌的依賴性十分明顯。

　　圖3 （a）經過優化的有序和無序結構及對應的內聚能、總磁距。（b）實驗得到bcc和fcc晶胞的磁飽和值Ms跟VASP對比值。（c）fcc在bcc中含量不同時總磁距變化。

　　計算總結

　　綜上，經過對FeNi合金材料結構和磁性的研究，作者發現具有不同相組成的CC NPs和COh NPs均非常容易製備，而不同納米糰簇的飽和磁化強度和矯頑力均有所不同，經過理論計算，發現這些差異可能與團簇表面的各相異性及bcc和fcc兩相的組成比例相關。

　　此研究結果說明採用實驗結合理論的研究手段對雙金屬磁性材料的研究將會有更廣闊的應用前景。

　　使用的計算模塊

　　Welcome to MedeA Bundle

　　MedeA-VASP

　　參考文獻

　　Nafiseh Moghimi, Fatemeh Rahnemaye Rahsepar, Saurabh Srivastava, Nina Heinig, Kam Tong Leung. Shape-dependent magnetism of bimetallic FeNi nanosystems. J. Mater. Chem. C, 2014, 2, 6370-6375

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