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合成铁钴氮纳米材料及其磁性能研究。通过非平衡团簇沉积结合计算指导，成功制备Fe8Co8N2纳米颗粒，具有四角晶格结构（a=6.19?，c=5.67?）。10K时磁各向异性常数11.1 Merg/cm3，饱和磁化强度17.2 kG，居里温度达700K。氮掺入调控晶格畸变和电子结构，显著增强磁各向异性同时保持高磁矩。研究验证实验-计算协同方法在发现非立方FeCo基高性能磁性材料中的有效性。
Balamurugan Balasubramanian | Chao Zhang | Weiyi Xia | Rong Cheng | Timothy Liao | Shah R. Valloppilly | Cai-Zhuang Wang | Kai-Ming Ho | Xingzhong Li | Xiaoshan Xu | James R. Chelikowsky | David J. Sellmyer
内布拉斯加大学材料与纳米科学中心，美国内布拉斯加州林肯市，邮编68588
摘要
我们报道了一种亚稳态间隙氮化物Fe8Co8N2的合成方法，该方法结合了非平衡簇沉积技术和第一性原理指导的结构预测。所得纳米颗粒具有均匀的元素分布和化学计量比。在10 K时，该材料表现出显著的磁晶各向异性（磁晶各向异性为11.1 Merg/cm3），饱和磁化为17.2 kG，居里温度约为700 K。氮的引入显著增强了磁各向异性，同时保持了每个磁原子1.9 μB的磁矩，这一磁矩与纯Fe和Co的磁矩相当。通过X射线衍射数据的整体粉末模式建模（采用自适应遗传算法和密度泛函理论进行支持），确定了该材料的四方晶体结构，其晶格参数为a = 6.19 ?和c = 5.67 ?。这项工作展示了一种有效的策略，将实验方法和计算方法相结合，用于发现具有优异性能的亚稳态、非立方结构的FeCo富集化合物，这些化合物在永磁应用中具有潜力。
引言
发现和合成具有高磁晶各向异性（K ≈ 11.1 Merg/cm3）、高饱和极化（Js = 17.2 kG）和较高居里温度（T ≈ 700 K）的无稀土磁体仍然是材料科学中的核心挑战[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。基于铁（Fe）和钴（Co）的过渡金属化合物——尤其是它们的间隙氮化物——是高性能磁体的有希望的候选材料，因为Fe具有较大的固有磁矩和强交换相互作用。然而，要实现技术上相关的磁晶各向异性通常需要低对称性的晶体结构。间隙氮提供了一种多功能的方法来诱导这种低对称性：它稳定了Fe–Co晶格中的四方畸变，调整了能带填充，并增强了自旋-轨道耦合驱动的磁各向异性[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。例如，二元氮化物Fe16N2表现出极高的磁化强度[12]、[13]、[14]，尽管其各向异性和热稳定性仍存在争议[14]、[15]。在Fe–Co–N合金中，Fe含量丰富，容易形成铁磁化合物，而Co的添加旨在（i）稳定间隙Fe–N相，（ii）调节能带填充和由此产生的四方性（这控制着磁各向异性能（MAE）），以及（iii）提高与纯Fe氮化物相比的热稳定性。因此，Co的引入产生了一种新的四方结构（空间群P4/m，编号83），这种结构具有高饱和磁化（Ms）和各向异性常数（K）的良好平衡，同时居里温度也得到了提高。此外，理论研究表明，在整个成分范围内K值较大[16]、[17]。同时，机器学习和基于数据库的方法在探索新型磁体的广泛成分和结构空间方面越来越有效[11]、[18]、[19]、[20]。这些发展共同推动了发现具有增强磁性能的新Fe–Co–N化合物的实验努力。
在这里，我们合成了一种新的间隙氮化物Fe8Co8N2，采用非平衡簇沉积技术，并通过综合的实验-计算工作流程对其结构和磁性质进行了表征。本研究的主要贡献包括：（i）成功合成了Fe8Co8N2纳米颗粒，这些颗粒具有均匀的Fe/Co/N分布和特定的化学计量比；（ii）通过自适应遗传算法（AGA）和密度泛函理论（DFT）的支持，确定了其四方晶体结构（空间群P4/m，编号83）；（iii）观察到了显著的磁晶各向异性（K ≈ 11.1 Merg/cm3）和高饱和极化（Js = 17.2 kG）以及较高的居里温度（T ≈ 700 K）。我们进一步将Fe8Co8N2与Fe16N2进行了比较，后者虽然报道了高磁化强度，但其磁各向异性能和稳定性在最近的研究中仍在重新评估中[14]、[21]、[22]、[23]，并将我们的发现与最近旨在发现具有增强磁性能的Fe–Co–N化合物的机器学习和基于数据库的方法进行了关联[11]、[18]。
章节片段
簇沉积和样品处理
Fe8Co8N2纳米颗粒是通过惰性气体凝结簇沉积系统合成的（示意图见图1）。在气体聚集室中，使用Ar作为溅射气体，He作为传输气体，对FeCo靶材进行溅射；同时通入N2以实现氮的掺入。溅射功率设置为200 W，Ar的流速为400 sccm，He的流速为100 sccm，N2的流速为20 sccm。之所以添加氦气，是因为它具有较高的热稳定性。
粒径分布和成分分析
图2a显示了沉积后的Fe–Co–N纳米颗粒的代表性TEM图像。粒径直方图（图2b）显示平均粒径为16.7 nm，分布较窄（rms σ/d ≈ 0.09）。大多数颗粒呈多面体形状且略微非球形（见插图），这是簇沉积纳米颗粒非立方晶体对称性的常见特征[30]。
结论
我们使用惰性气体凝结簇沉积技术合成了亚稳态间隙氮化物Fe8Co8N2。其结构和磁性质通过实验和计算方法共同确定。XRD和纳米束电子衍射的结构数据，结合整体粉末模式建模，证实了其四方晶体结构（空间群P4/m），这一结构通过全局结构搜索得到，并得到了自旋极化电子计算的支持。这些结果与四方晶体的特性一致。
CRediT作者贡献声明
Balamurugan Balasubramanian：负责撰写初稿、验证、方法论、研究、数据分析、概念化。
Chao Zhang：负责撰写、审稿与编辑、验证、方法论、研究、数据分析、概念化。
Weiyi Xia：负责撰写、审稿与编辑、验证、方法论、研究、数据分析、概念化。
Rong Cheng：负责撰写初稿、验证、方法论、研究、数据分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究主要得到了美国国家科学基金会（NSF）的支持——项目编号为1729202、1729288和1729677，旨在“设计材料以革新和工程化我们的未来：可持续化学、工程和材料”（NSF-DMREF: SusChEM）。内布拉斯加大学的研究还得到了NU合作计划的支持，并在内布拉斯加纳米技术协调基础设施和内布拉斯加材料与纳米科学中心进行。
