掺杂Bi/Pb/Au/Cu促进L10-FeNi有序转变的第一性原理

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2025.20240052

摘要/Abstract

摘要：

L1₀有序结构的FeNi材料具有优异的磁性能，拥有广阔的应用前景.但FeNi中的L1₀结构形成温度低，在此温度下原子有序化扩散缓慢，导致实验中难以直接合成L1₀-FeNi.本文针对该问题，利用第一性原理研究了掺杂Bi，Pb，Au和Cu元素对FeNi的有序化扩散和磁性能的影响.结果表明：掺杂第三元素可以有效改善FeNi的形成动力学，从而促进FeNi的有序转变.其中Au与Cu元素更易替位掺杂，更有利于结构的稳定性，Bi，Pb，Au和Cu更容易占据Fe位.元素的掺杂可有效降低FeNi的空位形成能，从而降低了扩散激活能，促进了Fe原子和Ni原子的扩散和转移，进而降低FeNi的无序-有序转变势垒，有效促进FeNi的有序转变.掺杂第三元素在Ni位点时对FeNi的电子结构和磁性能影响很小.

关键词: L1₀-FeNi, 有序转变, 磁性能, 扩散激活能

Abstract:

The FeNi material with L1₀ ordered structure has excellent magnetic properties and broad application prospects. However， the formation temperature of the L1₀ structure in FeNi is low， and the atomic ordering diffusion is slow at this temperature. Therefore， it is difficult to directly synthesize L1₀-FeNi in the experiment. The effects of doping with Bi， Pb， Au， and Cu elements on the ordering diffusion and magnetic properties of FeNi were investigated by using the first principles. The results show that doping with a third element can effectively improve the formation kinetics of FeNi， thereby promoting the ordering transition of FeNi. Among them， Au and Cu elements are easier to substitute for the matrix atoms and are doped into the lattice， which is more conducive to the stability of the structure. Bi， Pb， Au， and Cu are more likely to occupy the Fe site. The doping of elements can effectively reduce the vacancy formation energy of FeNi， which reduces the diffusion activation energy and promotes the diffusion and transfer of Fe and Ni atoms. Therefore， the disorder-order transition barrier of FeNi can be lowered to effectively improve the ordering transition of FeNi. The doping of third elements at the Ni site has little effect on the electronic structure and magnetic properties of FeNi.

Key words: L1₀-FeNi, ordering transition, magnetic property, diffusion activation energy

中图分类号:

TG 111.2

王群首, 唐家雨, 姚爽, 裴文利. 掺杂Bi/Pb/Au/Cu促进L1₀-FeNi有序转变的第一性原理[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2025, 46(10): 59-65.

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图/表 9

图1 FeNiM计算模型

Fig.1 Calculation model of FeNiM

表1 掺杂元素M的替位原子坐标

Table 1 Substituted atom coordinates of doped element M

结构类型	掺杂比/%	被替换原子	原子坐标
有序	3.125	1Fe	(0.75,0.25,0.5)
	3.125	1Ni	(0,0.25,0.25)
	6.250	2Fe	(0.75,0.25,0.5)	(0.25,0.25,0.5)
		2Ni	(0,0.25,0.25)	(0.5,0.25,0.25)
		1Fe1Ni	(0.75,0.25,0.5)	(0.5,0.25,0.25)

表2 掺杂对晶格常数的影响

Table 2 Effect of doping on lattice constants

掺杂元素	替换原子	a/nm	b/nm	c/nm	c/a	体积×10³/nm³	变化率/%
无		0.355	0.355	0.358	1.008	360.95
Bi	Fe	0.359	0.359	0.362	1.008	373.62	3.51
Pb		0.359	0.359	0.361	1.006	372.29	3.14
Au		0.358	0.358	0.359	1.003	367.85	1.91
Cu		0.356	0.356	0.357	1.003	361.34	0.11
Bi	Ni	0.358	0.358	0.365	1.020	374.81	3.84
Pb		0.358	0.358	0.365	1.020	373.67	3.52
Au		0.357	0.357	0.362	1.014	368.65	2.13
Cu		0.355	0.355	0.359	1.011	362.28	0.37

图2 形成能与结合能（a）—形成能；（b）—结合能.

Fig.2 Formation energy and binding energy

图3 掺杂对差分电荷密度的影响（a）—Fe16Ni16 Fe （001）；（b）—Fe16Ni16 Ni （001）；（c）—Fe15BiNi16 Fe （001）；（d）—Fe16BiNi15 Ni （001）；（e~h）—Fe15MNi16（010）.

Fig.3 Effect of doping on differential charge density

图4 掺杂元素对有序转变势垒的影响

Fig.4 Effect of doped elements on barrier of ordering transition

图5 掺杂元素对扩散激活能的影响

Fig.5 Effect of doped elements on diffusion activation energy

图6 掺杂对空位形成能的影响（a）—1Fe空位；（b）—1Ni空位；（c）—2Fe空位；（d）—2Ni空位.

Fig.6 Effect of doping on vacancy formation energy

表3 掺杂对FeNi饱和磁化强度的影响

Table 3 Effect of doping on saturation magnetization of FeNi

掺杂元素		磁矩μ_B	体积×10³/nm³	饱和磁化强度/（kA·m^-1）
无		50.11	360.95	1 287.49
Bi	Fe	46.85	373.62	1 162.91
Pb		46.92	372.29	1 168.90
Au		47.96	367.85	1 209.11
Cu		47.60	361.34	1 221.59
Bi	Ni	48.86	374.81	1 209.00
Pb		48.96	373.67	1 215.08
Au		49.91	368.65	1 255.57
Cu		49.61	362.28	1 270.01

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掺杂Bi/Pb/Au/Cu促进L1₀-FeNi有序转变的第一性原理

Ordering Transition of L1₀-FeNi Promoted by Doping Bi/Pb/Au/Cu with First Principles

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