FePt纳米材料可控制备与结构、性能调控

全书以“基础理论—制备技术—调控机理—功能拓展”为主线展开：第1章构建物理化学基础框架，深入解析FePt纳米材料的物相结构、磁学特性与性能调控挑战；第2章对比分析物理法、化学法及磁场辅助等合成技术，并拓展其在磁记录、能源催化与生物医学领域的创新应用场景；第3章系统地介绍第一性原理计算与特殊准随机模型，建立元素掺杂、缺陷工程与有序转变温度、饱和磁化强度、差分电荷密度间的定量关系，揭示不同原子半径元素的差异化调控机制；第4章提出基于晶格畸变与表面扩散调控的元素掺杂分类策略，阐明大原子半径、低表面能元素通过界面调控降低有序温度，小原子半径、高表面能元素通过晶格应力促进有序化的作用机理；第5、6章介绍强磁场辅助湿化学法合成过程、设计液相隔离介质辅助退火与磁场诱导有序化新工艺，实现高有序超细纳米粒子的可控制备；第7章简明介绍结构有序-元素掺杂-催化性能之间的构效关系，为开发高效燃料电池催化剂提供理论依据。
本书适宜从事新材料以及能源、医疗设备、电子等行业的技术人员参考。

磁性纳米材料凭借量子尺寸效应、表面效应、小尺寸效应及宏观量子隧道效应，展现出独特的磁性能，已成为电子、信息、生物医学、微纳器件及催化等领域的核心功能材料。随着科技发展，磁性器件向纳米级小型化与集成化加速演进，在航空航天、航海、汽车与自动化控制系统中发挥关键作用。
FePt纳米材料，由于具有超高磁晶各向异性常数K1（6.6 MJ/m3）和原子级有序结构特性，可突破传统存储密度极限【＞1 TB/in2（1in=2.54cm）】，在全球千亿级存储产业中引领技术革新。其超顺磁临界尺寸可低至2.8～3.2 nm，为高密度、低功耗磁存储芯片提供解决方案，解决微型化与能耗控制产业痛点。
本书聚焦于FePt磁性纳米材料这一具有革命性潜力的功能材料，系统阐述了其物理化学基础、应用前景、制备技术以及结构调控策略。该材料体系在磁记录、微纳磁性器件、能源催化等领域具有广阔的应用前景，通过理论计算与实验验证相结合的研究范式，为实现高有序、小尺寸、均匀分散的应用目标提供了系统性指导。
本书对FePt纳米材料的可控制备与结构、性能调控进行系统阐述，具有以下三个特点：①构建元素掺杂与缺陷态计算模型库，形成基于原子半径差异的元素选择理论体系；②元素掺杂策略与机理揭示，通过协同作用平衡结构有序与尺寸控制的矛盾；③提出强磁场辅助湿化学过程以及退火工艺，利用磁场力和磁场能促进有序化。研究结果为高密度磁存储介质、微纳生物器件及清洁能源催化剂的开发提供一定的参考。本书的成稿得益于团队成员的同心协力。本书在国家自然科学基金（52371179、52301234）和辽宁省科技计划联合计划（2024-BSLH-181）的支持下，由沈阳工业大学常玲、沈阳理工大学赵东和东北大学裴文利共同完成。各章的具体撰写分工如下：第1、2、5章由常玲撰写，约7.2万字；第3章由裴文利撰写，约10万字；第4、7章由赵东和常玲撰写，其中赵东撰写约6.4万字，常玲撰写约4.4万字；第6章由赵东撰写，约3.6万字。此外，王群首、郑健、刘传值和姜璇同学在硕士期间的研究成果也被收录到本书中作为典型案例，在此，仅对参与编写的所有人员表示感谢。
由于编者水平有限，书中难免有不足之处，期待大家的建议和批评指正。

著者

第1章FePt纳米材料的物理化学基础1
1.1磁性材料简介1
1.1.1磁性材料的分类1
1.1.2物质的磁化1
1.1.3磁滞现象2
1.2磁性纳米材料的特性3
1.2.1磁性纳米粒子的磁化机制3
1.2.2矫顽力与磁晶各向异性4
1.2.3尺寸相关的磁性能5
1.2.4表面效应6
1.3FePt磁性纳米材料7
1.3.1FePt合金的物相与结构7
1.3.2L10-FePt有序纳米粒子的性质8
参考文献9

第2章FePt纳米材料的应用及其合成方法11
2.1FePt纳米材料的应用11
2.1.1磁记录领域的应用11
2.1.2生物医学与微纳器件的潜在应用14
2.1.3能源催化领域的创新方向17
2.2FePt纳米材料的合成方法25
2.2.1物理法合成FePt纳米材料25
2.2.2高温热处理法合成FePt有序纳米材料26
2.2.3第三元素掺杂法合成FePt纳米材料30
2.2.4磁场辅助法合成FePt有序纳米材料33
2.2.5FePt纳米材料的性能调控核心挑战36
参考文献37

第3章计算模拟预测元素掺杂对有序转变影响44
3.1理论基础与计算方法44
3.1.1第一性原理与密度泛函理论的概述44
3.1.2特殊准随机模型的应用逻辑51
3.1.3关键计算参数与软件工具53
3.2元素掺杂对有序转变的模拟预测55
3.2.1有序和无序FePt的计算模型与计算方法55
3.2.2大原子半径、低表面能元素的调控效应59
3.2.3小原子半径、高表面能元素的掺杂预测79
3.3空位缺陷与反位缺陷对有序转变影响88
3.3.1空位缺陷与反位缺陷的计算模型88
3.3.2空位缺陷对有序转变的影响90
3.3.3反位缺陷对有序转变的影响94
3.4掺杂与空位对有序转变的影响分析98
3.4.1元素掺杂对FePt晶格缺陷的影响98
3.4.2掺杂元素的偏析能与机理分析102
3.4.3掺杂第三元素对有序转变的影响总结与分析105
参考文献109

第4章元素掺杂策略与作用机制113
4.1掺杂元素的分类与选择标准113
4.2大原子半径元素掺杂113
4.2.1Bi掺杂的表面扩散与界面调控113
4.2.2掺杂Pb元素制备L10-FePt纳米粒子及结构调控128
4.2.3掺杂Ag元素制备L10-FePt纳米粒子及结构调控158
4.3小原子半径元素掺杂166
4.3.1Mn掺杂对有序化的促进作用167
4.3.2Cu掺杂的低温有序化机理172
4.4FePt基高熵合金纳米粒子合成177
4.5元素掺杂促进有序转变机理181
参考文献183

第5章磁场辅助湿化学法合成L10-FePt纳米粒子188
5.1磁场对L10-FePt纳米粒子形貌与结构的影响188
5.1.1磁场对连接行为的影响188
5.1.2磁场对尺寸细化和有序转变的影响189
5.2磁场对L10-FePt纳米粒子生长过程的作用机理192
5.2.1磁场对粒子连接行为的作用机理192
5.2.2磁场细化粒子尺寸的作用机理194
5.2.3磁场对形核与长大阶段的作用机理195
5.2.4磁场对L10-FePtMn纳米粒子生长过程影响的分析199
5.3L10-FePt纳米粒子结构和性能的磁场调控机制199
5.3.1磁场对粒子形貌的调控200
5.3.2磁场对粒子结构的调控202
5.3.3磁场对粒子磁性能的调控202
参考文献204

第6章磁场辅助退火法合成L10-FePt纳米粒子及其影响机制207
6.1NaCl浸渍法一步直接合成L10-FePt有序纳米粒子207
6.1.1调控热处理温度获得有序L10-FePt纳米粒子207
6.1.2调控热处理时间控制L10-FePt纳米粒子形貌结构211
6.2浸渍法细化L10-FePt纳米粒子尺寸的作用机理215
6.3磁场辅助退火法制备L10-FePt有序纳米粒子216
6.3.1预热处理制备fcc-FePt纳米粒子217
6.3.2磁场辅助热处理合成L10-FePt纳米粒子219
6.3.3磁场作用下FePt有序化转变的机理223
参考文献226

第7章L10-FePt有序纳米材料的催化性能228
7.1Bi掺杂与FePt纳米粒子MOR催化性能的关联性228
7.2元素掺杂与FePt纳米粒子ORR催化性能的关联性231
7.3元素掺杂与FePt纳米粒子HER催化性能的关联性232
7.3.1合金化程度与HER活性的关系232
7.3.2合金化程度与电化学活性面积的关系235
7.3.3FePt基高熵纳米催化剂优异HER性能机理分析237
参考文献240