Fe基纳米非晶合金中界面的引入及其对磁性调控的机理研究

The nanometer-size powders of amorphous alloy are produced by inert gas condensation and in situ pressed into bulk material in vacuum. We call it nano amorphous alloy or nanoglass for differentiating it from the traditional amorphous alloys prepared by rapid quenching. Nanoglass consists of amorphous particles and their interfaces. The density of interface region is relatively low (soft zone), and the density of particles is relatively high (hard area). It is possible to control the properties of nanoglass by controlling the ratio of interface. In this project, we aim to modify the magnetic property of Fe-based nanoglasses by controlling the amorphous particle size and the interfacial atomic diffusion. We intend to characterize the proportion of the interface region and its variation with temperature by small-angle and wide-angle X-ray scattering method. We will use the three-dimensional atom probe technique to obtain the distribution of the different elements in three-dimensional nanometer-size space, and study the law of interfacial atomic diffusion. We try to find out the origin of the ferromagnetism and unique magnetic structure of Fe-based nanoglasses by using magnetic Compton scattering and neutron scattering techniques. We want to understand the relation between the inner structure and magnetic properties of Fe-based nanoglasses. It is helpful for the basic research and application of nanoglasses.

我们采用惰性气体冷凝法制备纳米级的非晶合金颗粒并真空原位压制成块体非晶合金。为区别于传统快速冷却凝固法制备的非晶合金，我们称其为纳米非晶合金。纳米非晶合金结构上由非晶合金颗粒及其界面组成，界面区域密度相对较低（软区），而颗粒本身密度相对较高（硬区）。通过控制界面比例，有望实现对非晶合金材料性能的调控。本项目针对Fe基纳米非晶合金，提出通过控制原始纳米非晶合金颗粒尺寸和界面原子扩散的两种方法，实现对Fe基纳米非晶合金磁性人工调控的研究目标。我们拟采用小角与广角X射线散射法来表征界面的比例及其在温度场下的变化规律；采用三维原子探针技术来获得不同元素在三维纳米空间的分布图形，通过元素分布来研究界面原子的扩散规律；采用磁康普顿散射技术和中子散射技术研究Fe基纳米非晶合金中特殊铁磁性的起源和独特的磁结构，揭示原子结构与磁性的内在关联，为进一步拓展纳米非晶材料通过界面调控性能的基础研究和应用打下基础。

纳米非晶合金由非晶合金颗粒及其界面组成，通过控制界面比例，可以实现对非晶合金材料性能的调控。本项目主要针对Fe基纳米非晶合金，通过控制原始纳米非晶颗粒尺寸和界面原子扩散两种技术手段，实现Fe 基纳米非晶合金磁性的人工调控；深入研究纳米非晶合金中的界面结构；理解界面结构和密度的调控机理；掌握界面结构调控的技术；认识原子结构与磁性的内在关联；为进一步拓展纳米非晶材料通过界面调控性能的基础研究和应用打下了基础。主要研究成果如下：.1）开发了具有自主知识产权的国际上最先进的多功能超高真空惰性气体冷凝系统，集成了纳米粉末制备、原位高压、真空传输、原位表征等功能，并基于该系统成功制备了高质量的Fe基纳米非晶合金材料。.2）通过高分辨透射电镜、穆斯堡尔谱、磁康普顿散射谱、同步辐射X射线衍射等技术，揭示了Fe90Sc10纳米非晶合金独特的室温磁性的起源。主要归因于纳米非晶合金结构中存在着低密度的非晶界面区域，界面区域Fe-Fe原子间距增大导致其磁耦合常数变大，从而导致其居里温度的上升，出现了Fe90Sc10纳米非晶合金的室温铁磁性。.3）通过改变制备气压成功实现了纳米非晶颗粒尺寸的调控，从而实现了界面结构比例的调控，最终实现了Fe90Sc10纳米非晶合金宏观磁性的人工调控。.4）通过原位加热同步辐射X射线广角/小角散射，结合透射电镜、三维原子探针、正电子湮灭谱、穆斯堡尔谱等技术，研究了纳米非晶合金材料界面结构随温度的演化及其对磁结构的影响，并提出了纳米非晶合金的界面结构模型。.5）开发了新型的Fe90-XCoXSc10软磁非晶合金体系，实现了高居里温度和高饱和磁感应强度的结合。其中Fe5Co85Sc10非晶合金居里温度高达1150K，为非晶合金之最，同时饱和磁感应强度高达1.2T，且在-250℃~500℃的温度范围内保持稳定，在航空航天等领域有着广泛的潜在应用。