計(jì)算思路解析：實(shí)驗(yàn)與第一性原理相結(jié)合，研究FeNi合金不同相成分的結(jié)構(gòu)。

研究背景

研究納米團(tuán)簇形狀與磁性的特性，可提供對(duì)納米尺度磁性基礎(chǔ)知識(shí)。FeNi合金是一種重要的標(biāo)準(zhǔn)雙金屬磁性體系，也是理論和實(shí)驗(yàn)研究的熱點(diǎn)。

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FeNi相圖中呈現(xiàn)出三塊明顯的區(qū)域（bcc、fcc、bcc+fcc），其中，bcc和fcc兩相結(jié)合的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)至今沒有報(bào)道過。

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作者使用密度泛函理論（DFT）對(duì)FeNi合金不同相成分的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算，同時(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)分析。

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

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第二步：用Supercell Builder構(gòu)建bcc和fcc相超晶胞有序結(jié)構(gòu)（fcc和bcc有序結(jié)構(gòu)為（Fe11Ni7）×6、（Fe5Ni3）×16；fcc和bcc無(wú)序結(jié)構(gòu)為Fe67Ni47及Fe79Ni49）；

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第三步：采用Random subsitutions構(gòu)建無(wú)序結(jié)構(gòu)；

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第四步：采用MedeA-VASP模塊中DFT方法，對(duì)不同體系進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化；

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第五步：體系K點(diǎn)設(shè)置均采用k-point spacing of 0.5?-1進(jìn)行計(jì)算；

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

作者采用電沉積方法制備了CC NPs和COh NPs（CC為Concave cube；COh為cuboctahedron；NPs為Nanoparticles），見圖1。

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隨后用EDX分析CC NPs和COh NPs合金組成，發(fā)現(xiàn)是Fe63Ni37，XRD分析晶格參數(shù)發(fā)現(xiàn)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。

隨后作者使用MFM研究CC NPs和COh NPs磁距，見圖2。

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

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結(jié)果說明，對(duì)于CC NPs，其力矩比起COh NPs更容易翻轉(zhuǎn)，因此具有更低的矯頑性。

?圖2 室溫下制備CC NPs和COh NPs，左側(cè)為形貌，右側(cè)為磁距。（a）、（b）是凹面立方納米團(tuán)簇（CC），（c）、（d）是立方八面體納米團(tuán)簇（COh）

理論研究結(jié)果

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作者通過MedeA-VASP模塊對(duì)bcc和fcc晶胞的有序和無(wú)序結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，得到fcc和bcc有序結(jié)構(gòu)穩(wěn)定構(gòu)型為（Fe11Ni7）×6、（Fe5Ni3）×16；fcc和bcc無(wú)序結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定構(gòu)型為Fe67Ni47及Fe79Ni49。

圖3a呈現(xiàn)了bcc和fcc有序及無(wú)序穩(wěn)定結(jié)構(gòu)構(gòu)型與其結(jié)合能和磁矩，由此可得到不同結(jié)構(gòu)形成的難易程度。對(duì)于bcc，有序結(jié)構(gòu)較易形成；對(duì)于fcc，無(wú)序結(jié)構(gòu)較易形成。

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圖3b是文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)獲得fcc和bcc合金（30-38Ni%）磁矩值（Ms）及VASP計(jì)算bcc和fcc有序及無(wú)序結(jié)構(gòu)的磁距對(duì)比值。

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其中，上水平線（黑色）和下水平線（紅色）分別對(duì)應(yīng)有序bcc結(jié)構(gòu)（較穩(wěn)定的bcc）和無(wú)序fcc結(jié)構(gòu)（較穩(wěn)定的fcc）的磁矩值，實(shí)驗(yàn)值基本都在上下水平線之間。

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圖3（c）為實(shí)驗(yàn)過程中，fcc和bcc結(jié)合的相結(jié)構(gòu)中，其磁矩與fcc相的含量函數(shù)曲線圖，我們發(fā)現(xiàn)磁矩與其結(jié)構(gòu)相組成的線性規(guī)律十分明顯，這也說明了FeNi這種體系的磁性對(duì)結(jié)構(gòu)形貌的依賴性十分明顯。

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圖3 （a）經(jīng)過優(yōu)化的有序和無(wú)序結(jié)構(gòu)及對(duì)應(yīng)的內(nèi)聚能、總磁距。（b）實(shí)驗(yàn)得到bcc和fcc晶胞的磁飽和值Ms跟VASP對(duì)比值。（c）fcc在bcc中含量不同時(shí)總磁距變化。

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綜上，經(jīng)過對(duì)FeNi合金材料結(jié)構(gòu)和磁性的研究，作者發(fā)現(xiàn)具有不同相組成的CC NPs和COh NPs均非常容易制備，而不同納米團(tuán)簇的飽和磁化強(qiáng)度和矯頑力均有所不同，經(jīng)過理論計(jì)算，發(fā)現(xiàn)這些差異可能與團(tuán)簇表面的各相異性及bcc和fcc兩相的組成比例相關(guān)。

此研究結(jié)果說明采用實(shí)驗(yàn)結(jié)合理論的研究手段對(duì)雙金屬磁性材料的研究將會(huì)有更廣闊的應(yīng)用前景。

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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