单分散FePt纳米颗粒有序化相变机制研究和磁性能调控

The size, composition, microstructure and the addition of elements can significantly affect the ordering kinetics of monodisperse FePt nanoparticles. FePt nanoparticles with protective layer which lead to that the orderly transformation occurs only in nanoparticles inside will be prepared by high temperature liquid phase method. The effects of the size, microstructure and composition of the monodisperse FePt nanoparticle on ordering activation energy, nucleation and growth activation energy and activation volume will be researched. The influence of adding third kinds of alloy elements on ordering kinetics and magnetic properties of FePt nanoparticle ordering transformation will be further studied in order to understand the effect of addition elements on ordered domain nucleation and growth mechanism during FePt nanoparticles ordering. The effect of the phase separation between FePt and the third adding element on the ordering transformation will be also discussed. The dependence of the structure evolution-ordering transformation-magnetic properties will be established. Monte Carlo simulation of single FePt nanoparticles ordering under different conditions will be explored. Combined with experimental results, the synthesis method of accelerated FePt nanoparticles ordering will be discussed. The project will provide experimental and theoretical guide for the liquid phase synthesis of hard magnetic L10-FePt nanoparticles.

针对尺寸、成分、微观结构和添加元素显著影响单分散FePt纳米颗粒有序化相变动力学的关键科学问题，本项目拟利用高温液相法制备不同尺寸、成分和微观结构的FePt纳米颗粒，通过包覆保护层使有序化相变仅在纳米颗粒内部发生，研究尺寸、成分和微观结构对单分散FePt纳米颗粒有序化相变形核激活能、生长激活能及相变激活体积等动力学参数的影响规律。在此基础上，研究掺入第三种合金元素对FePt纳米颗粒有序化相变动力学及磁性能的影响规律，从相变动力学角度阐明添加合金元素对FePt纳米颗粒有序畴的形核和长大的影响机制；进一步研究添加元素与FePt发生相分离对FePt纳米颗粒有序化相变的影响机制；建立结构演变-有序化相变-磁性能的依赖关系。利用蒙特卡洛方法模拟单个FePt纳米颗粒在不同条件下的相变过程，结合实验结果，探索加速FePt纳米颗粒有序化的合成方法，为液相合成硬磁L10-FePt纳米颗粒提供实验和理论参考。

在fct-FePt纳米颗粒的合成过程中掺杂Cu元素，有效地降低了硬磁性fct-FePtCu纳米颗粒的有序化相变温度。研究发现，由于Cu原子的低熔点和高扩散系数，促进了Fe和Pt原子扩散、重排，降低了有序化相转变温度，fct-FePtCu纳米颗粒的有序化相转变温度降低至310 ℃，矫顽力高达5.1 kOe。通过十六烷基三甲基氯化铵（CTAC）诱导，可一步合成出尺寸10 nm左右的单分散L10-FePt 纳米颗粒，室温矫顽力达3.15 kOe。研究发现，Cl-在控制颗粒形貌和诱导有序化相变起到关键作用，CTA+可形成胶束空间，辅助Cl-更好地与Fe、Pt结合，进行热力学上稳定的有序化结构重排，生长为有序度高、矫顽力大的纳米颗粒。此外，研究了氯化铵基表面活性剂的烷基碳链长度对FePt纳米粒子的形貌、结构和磁性能的影响。分别用八烷基/十二烷基二十二烷基/三甲基氯化铵替代CTAC合成FePt纳米颗粒。结果表明，不同烷基碳链长度的含氯表面活性剂均能降低FePt有序化相变温度，低温促进FePt有序化重排，而CTAC诱导合成的FePt纳米颗粒有序化程度最高、磁性最佳，进一步研究表明，含氯表面活性剂的烷基碳链长度增长或缩短均会导致其诱导FePt有序化能力减弱。这与表面活性剂的空间位阻作用有关，CTAC具有最佳的空间位阻效应，使FePt纳米颗粒具有最优的有序形核生长速率。还进一步研究了卤素离子种类对FePt的形貌、结构和磁性能的影响。结果表明，用十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）替代CTAC合成的L10-FePt纳米颗粒，室温矫顽力达9.15 kOe。这是由于Br-离子与金属原子的结合力比Cl-离子更强，更有利于减缓Fe、Pt原子无序生长动力学，诱导形成热力学稳定的L10有序结构。最后，将该CTAC诱导合成小尺寸、单分散L10-FePt纳米粒子的策略扩展到铂与其他过渡金属的金属间化合物合成。在CTAC诱导作用下，成功一步合成出小尺寸、单分散的PtCu3、Pt3Zn、PdCu、PdZn等有序金属间化合物纳米颗粒。因此，该CTAC诱导有序相合成的策略，有望为直接一步液相合成有序铂、钯基金属间化合物提供一种新的通用合成方法，可以很好地控制其尺寸、尺寸分布和相纯度，用于磁性和燃料电池相关反应的电催化应用。