非晶FePt纳米合金的尺寸稳定性和表面能

关键词：非晶纳米合金、FePt、玻璃化温度、分子动力学、LAMMPS、MedeA

1. 研究背景

纳米合金或纳米团簇(NPs)在各个领域发挥着重要作用，因其尺寸可调和性能可控等优点引起学者广泛关注。一般而言，纳米颗粒具有特殊的尺寸依赖特性，而合金具有特定的成分依赖特性，纳米合金的一个重要问题是其稳定性，除了与尺寸、温度和制备方法外有关，还取决于纳米颗粒内各种金属元素之间的化学顺序或无序性。本文作者通过分子动力学模拟对非晶玻璃化转变温度的计算和预测进行了尝试，发展了FePt纳米粒子的EAM-MD模拟方法。

2. 建模与计算方法

作者首先采用MedeA Environment中的InfoMaticA搜索了FePt晶胞模型，然后调用Supercell builder创建FePt合金模型。随后在MedeA LAMMPS中作分子动力学模拟得到平衡结构，采用适用于金属合金体系的EAM势。接着从已弛豫好的非晶金属体相中提取金属纳米团簇。最后，采用MedeA LAMMPS和EAM将纳米合金和纳米团簇在不同的温度下平衡模拟得到体积-温度曲线，并计算了Fe-Fe、Fe-Pt以及Pt-Pt的径向分布函数。

图1从非晶金属的体相中提取金属纳米粒

3. 结果与讨论

3.1 体相和纳米结构的径向分布函数

径向分布分析表明Fe-Fe、Fe-Pt和Pt-Pt原子对的PRDF在所有温度下几乎完全相同。Fe50Pt50 NPs尺寸为2 nm和6 nm时，也发现了这种现象，表明在非晶Fe50Pt50 NPs中，Fe和Pt中心原子被相同数量的Fe和Pt原子包围。

图2非晶FePt合金体相结构中的(a)原子对径向分布函数；(b)总原子对径向分布函数

图3 不同温度下的各个原子对的PRDF 

此外，不同温度下的PRDF表明，三对原子的靠前最近邻(主)峰位置几乎不变，且不随温度变化，但随着温度从1900K降至300K，主峰的强度显著增加。与非晶结构特征直接相关的第二和第三近邻峰的位置和几何形态随温度的变化而显著变化。Fe50Pt50 NPs在退火至室温下，依然存在中程序与近程序结构。

3.2 玻璃化温度

让FePt纳米合金在2700k时充分平衡得到液相结构，随后将模型系统从2700k冷却到300K，得到整个冷却过程体积-温度曲线。如图4(a)，通过液体和固体计算的数据点的外推线的交点得到玻璃化温度Tg=1050 K。从纳米粒Fe50Pt50 NPs的势能/尺寸-温度曲线同样得到了玻璃化转变的转折点。

图4 (a)计算了Fe50Pt50合金在分段冷却过程中随温度的体积变化；(b) Fe50Pt50 NPs的势能随尺寸和温度的变化

4. 总结与展望

本文作者采用EAM-MD方法，研究了金属颗粒尺寸(2-6 nm)和温度(300-2700 K)对液态和非晶态等原子Fe-Pt块体/纳米合金稳定性和局部结构演变的影响，金属纳米颗粒的尺寸效应提供合理解释。

参考文献：

https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.02.271

使用MedeA模块：

• MedeA Environment

• MedeA LAMMPS

• MedeA EAM