CoPt和FePt微粒有序无序转变的热力学和动力学研究

CoPt and FePt nanoparticles with L10 ordered structure, regarded as the ultra-high magnetic storage media of next generation, have been a hot issue in the field of functional nanomaterials. However, the dynamics of transition, as well as the matrix effect on transition, need further investigation, which can improve the understanding and application of CoPt and FePt particles. In this project, the thermodynamics and dynamics of order-disorder transition will be studied deeply. On one hand, the composition and size effects on the dynamics of CoPt and FePt particles will be simulated by molecular dynamics and Monte Carlo method; on the other hand, the ordered CoPt and FePt particles on amorphous carbon and amorphous MgO will be prepared using pulsed laser deposition method, in order to study the matrix effects. Based on simulation and experiments, the thermodynamic and dynamic model will be established for application purpose. The present research will not only extend the theory of phase transition of bulk solids into nanoscale, but also contribute much to the design, preparation and application for CoPt and FePt particles.

CoPt和FePt纳米微粒具有L10 有序结构，可作为下一代高密度磁存储材料，是功能材料研究的热点。然而，低维固体有序无序相变动力学研究进展缓慢，不同基体对于微粒相变影响机理也不清楚。如果能够综合热力学和动力学理论阐明磁性合金颗粒的有序无序相变机理，则可大大促进该类材料的理解和应用。本项目拟研究CoPt和FePt微粒相变热力学和动力学。一方面，利用蒙特卡罗模拟和分子动力学模拟方法研究不同成分、不同尺寸CoPt和FePt微粒转变动力学以及影响转变的因素；另一方面，利用脉冲激光沉积法制备出非晶碳基体、非晶氧化镁基体上不同尺寸有序的CoPt和FePt微粒，研究基体对于微粒有序无序转变的影响；基于模拟和实验研究结果，建立起能够有效预测合金微粒有序无序转变的热力学和动力学模型。本项目的完成可望将相变理论拓展到低维体系，并将为CoPt和FePt磁性微粒的设计、制备和应用提供重要帮助。

有序的FePt和CoPt纳米微粒可以作为下一代高密度磁存储材料，该类合金在制备和应用过程中时常会发生有序无序转变，然而其有序无序转变的热力学和动力学机理并不清楚。本项目建立起预测二元纳米微粒有序无序转变的转变温度与微粒尺寸、形状、有序度以及成分的关系式，能定量预测有序化参量，能够根据理论模型确定实验上合金有序化的退火温度。项目组将键能模型与Johnson-Mehl-Avrami方程相结合，建立了预测纳米合金有序无序转变中形核、长大等动力学问题的新模型。通过计算与实验相结合，确认了基体对纳米微粒有序化温度影响的原因是基体改变微粒表面原子的成键，而不是基体对微粒产生的压强或者微粒表面原子的氧化。项目组制备出Marks结构微粒，证实了美国西北大学Marks 教授三十年前的理论预测。项目组通过分子动力学模拟了纳米空洞材料的熔化，统一了学术界关于纳米空洞熔化的两种机制。这些研究成果大大加深了人们对纳米尺度材料结构与相变的理解，有助于开发具有高稳定性的磁存储纳米材料。.. 本项目共发表学术论文21篇，其中SCI收录20篇，其中影响因子大于3的论文8篇。申请国家发明专利1项（已授权）。特别是项目负责人在权威刊物《Accounts of Chemical Research》上发表了“Nanoscopic Thermodynamics”特邀专题报告, 全面综述了负责人在两个基金支持下在纳米材料热力学方面的创新性研究成果，提高了我国在纳米材料基础研究领域的影响力。. 本项目执行期间培养研究生8名，其中博士2名，硕士6名，其中2名硕士的毕业论文获中南大学优秀硕士毕业论文，2人次获国家奖学金, 6人次获得校级奖学金。