纳米Ni-Fe合金粒子的溶胶凝胶法制备及其居里相变和有序无序相变的成分和尺寸效应

Ni-Fe nanoalloy has been widely concerned by academic and industrial circles. However, it is difficult to directly prepare Ni-Fe nanoalloy with ordered phase structure at low temperature, which is usually used in the preparation of magnetic nanoparticles. Moreover, due to the larger surface volume ratio, the stabilities of magnetic structure and phase structure of Ni-Fe nanoalloy are different from that of bulk materials. The Curie temperature and the order-disorder phase transition temperature are the important parameters to describe these two stabilities, which are related to the highest temperature of magnetic nanomaterials with superior properties. However, up to date, there are few experimental and theoretical studies on Curie phase transition and the order-disorder phase transition in Ni-Fe nanoalloy. In this project, we will prepare Ni-Fe nanoalloy with ordered phase structure and different composition and size by sol-gel method and investigate the corresponding formation mechanism, explore the composition and size effects on Curie temperature and the order-disorder phase transition temperature and establish the analytic models, determine the critical size of chemical ordering transition in annealing of Ni-Fe nanoalloy particles through experiments, nanothermodynamics and Monte Carlo simulations. The implementation of our project has an important guiding significance to the growth mechanism, structural regulation and property tailoring of nanoalloy.

纳米Ni-Fe合金已经受到学术界和工业界的广泛关注。然而，常用的制备磁性纳米合金的方法难以在低温下直接制备出有序相结构的纳米Ni-Fe合金。此外，纳米Ni-Fe合金较大的表面体积比使其磁结构稳定性和相稳定性明显不同于块体材料。居里温度和有序无序相变温度正是描述磁结构稳定性和相稳定性的重要参数，关系到磁性纳米材料优越性能存在的最高温度。可是，目前国际上却少有针对纳米Ni-Fe合金居里相变和有序无序相变的实验和理论研究。本项目拟从实验出发，采用溶胶凝胶法制备不同成分和尺寸的具有有序相结构的纳米Ni-Fe合金粒子并探索其形成机理；结合纳米热力学理论和蒙特卡罗模拟，系统研究纳米Ni-Fe合金粒子的居里温度和有序无序相变温度的成分和尺寸效应并建立相应的解析模型，探索纳米Ni-Fe合金粒子退火时化学有序化相变是否存在临界尺寸。本项目的实施对于纳米合金的生长机理、结构调控和性能研究具有重要的指导意义。

纳米Ni-Fe合金已经受到学术界和工业界的广泛关注。然而，常用的制备磁性纳米合金的方法难以在低温下直接制备出有序相结构的纳米Ni-Fe合金。此外，纳米Ni-Fe合金较大的表面体积比使其磁结构稳定性和相稳定性明显不同于块体材料。居里温度和有序无序相变温度正是描述磁结构稳定性和相稳定性的重要参数，关系到磁性纳米材料优越性能存在的最高温度。可是，目前国际上却少有针对纳米Ni-Fe合金居里相变和有序无序相变的实验和理论研究。本项目结合实验和纳米热力学理论，首先采用溶胶凝胶法制备了不同成分和尺寸的具有有序相结构的纳米Ni-Fe合金粒子；然后采用纳米热力学理论，研究其居里温度和有序无序相变温度的成分和尺寸效应并建立相应的解析模型。研究发现：1）形成合金纳米材料的关键在于不同金属元素之间达到化学键合。该目标在传统的溶液还原法中难以达到。原因在于不同金属离子的标准电极电位一般不相同，因此在水溶液中还原时，不同金属离子很难同时被还原。为促使形成合金物相，一般需要高温热处理。而在溶胶-凝胶法中，当选择合适的螯合剂时，不同的金属离子与螯合剂形成配合物，从而达到化学键合，则可在较低温度下即可形成合金相。2）根据表征，我们制备获得的样品具有不同的尺寸和成分，且其居里温度和有序-无序转变温度都低于相应粗晶的相变温度。3）根据纳米热力学理论，我们推导建立了可描述Ni-Fe合金居里温度和有序-无序转变温度尺寸和成分效应的解析模型。根据模型，体系相变温度随着居里温度较低组分的含量增加或者样品尺寸的减小而减小。上述模型可推广到其他二元合金体系。本项目的实施对于纳米合金的生长机理、结构调控和性能研究具有重要的指导意义。