Modelling, simulation, synthesis and structural characterization of Ni-Fe based nanoalloys

Abstract

Nanoalaşımların simülasyon ve üretimine giderek artan bir ilgi bulunmaktadır; çünkü nanoalaşımların benzersiz kimyasal ve fiziksel özellikleri, bileşenlerinin çeşidi ve kompozisyonu, nanoparçacıkların atomik düzeni, boyutu ve şekli değiştirilerek ayarlanabilir ve tamamen yeni yapısal motifler oluşturulabilir. Önemli bir manyetik malzeme olarak Fe-Ni bazlı nanoalaşımlar, kimyasal endüstride, havacılık ve savunma sanayide, manyetik biyomedikal uygulamalarda ve bilgisayar donanımı endüstrisinde ümit verici uygulama alanlarına sahiptir. Bu çalışmanın amacı; manyetik nanoalaşımların yapısal özelliklerini atomistik düzeyde incelemek ve teorik ile deneysel çalışmalar arasında köprü kurmaktır.Teorik bölümde, Fe-Ni bazlı nanoalaşımların yapısal dönüşümleri Büyük ölçekli Atomik/Moleküler Masif Paralel Simülatörde (LAMMPS) moleküler dinamik (MD) yöntemi kullanılarak incelenmiştir. Bu bağlamda, bimetalik FeNi$_3$ kristal ve amorf nanoalaşımların yapısal evrimi; sıcaklığın (300-1700 K), parçacık büyüklüğünün (2 nm-6nm) ve parçacık şeklinin (küresel ve kübik) radyal dağılım fonksiyonları, atomlar arası mesafeler, koordinasyon numaraları, çekirdek-yüzey konsantrasyon profilleri, yüzey enerjileri ve Voronoi analizi üzerinde etkisi dikkate alınarak, gömülü atom modeli (EAM) ile kombine edilmiş MD simülasyonu ile incelenmiştir. Moleküler dinamik simülasyonlarda parçacıkların yapısal dönüşümünün, erime sıcaklığının ve atomların konfigürasyonun güçlü bir şekilde boyuta ve şekle bağlı davranış sergilediği açıkça gözlenmiştir. Simüle edilmiş parçacıkların boyutu arttıkça, parçacıklar ısıya daha dayanıklı olmuş ve kararlı kristal yapılarını, şekillerini ve atomik paternlerini yüksek sıcaklıklarda korumuşlardır. Ayrıca, 6 nm nanoparçacıkların, oda sıcaklığında, FCC örgü yapısına sahip olduğu, bunun da, mekanik alaşımlama yolu ile sentezlenen ve yumuşak manyetik özelliklere sahip FeNi3 nanoparçacıklarının L12-tipi düzenli yapısına uygun olduğu gözlenmiştir.Çalışmanın deneysel bölümünde, FeNi3 bimetalik nanoalaşımlar, gezegen tipli yüksek enerjili bilyeli değirmende mekanik alaşımlama yoluyla sentezlenmiştir. Deneysel çalışmalar üç aşamada gerçekleştirilmiştir. İlk olarak, FeNi3 tozları; kuru atmosperde, 250 devir/dk öğütme hızına sahip mekanik alaşımlama ile sentezlenmiştir. İkinci olarak; öğütme hızının, nanotozların yapısal ve manyetik özellikleri üzerindeki etkisini incelemek için, hız 400 devir/dk'ya yükseltilmiştir. Ayrıca, yüzey aktif maddelerin ve çözücünün etkisini gözlemlemek için iki aşamalı mekanik alaşımlama uygulanmıştır; bu yöntemde, mekanik alaşımlama tamamlanır tamamlanmaz yüzey aktif madde ve çözücü sisteme eklenmiştir. Alaşımlı nanopartiküllerin yapısal ve manyetik özellikler açısından karakterizasyonu X-ışını kırınımı, taramalı elektron mikroskobu, enerji dağıtma spektroskopisi ve titreşimli manyetometre ile yapılmıştır. Artan öğütme süresi ve öğütme hızı ile nano boyutlu parçacıkların miktarı artmış ve buna bağlı olarak manyetik özellikleri değişim göstermiştir. Ancak surfaktanların parçacık boyutu üzesinde belirgin bir etkisi gözlenmemiştir. Yumuşak manyetik özellik gösteren, 5.815 nm kristal boyutlu, -0.46% gerinim değerli ve 3.543 Å kafes parametreli en küçük, L12-tipi düzenli yapıya sahip FeNi3 nanotozlar; kuru ortamda, 400 devir/dk öğütme hızında mekanik alaşımlama yöntemi ile 80 saat öğütme süresinden sonra sentezlenmiştir.

There is a growing interest in the simulation and production of nanoalloys because the unique chemical and physical properties of nanoalloys can be tuned, and completely new structural motifs can be created by varying the type and composition of constituent elements, the atomic ordering, size, and shape of the nanoparticles. As an important magnetic material, Fe-Ni based nanoalloys have promising applications in the chemical industry, aerospace and stealth industry, magnetic biomedical applications and computer hardware industry. The purpose of this study is to analyze the structural properties of the magnetic nanoalloys at atomistic level and to establish a bridge between theoretical and experimental studies. In the theoretical part, structural evolutions of Fe-Ni based nanoalloys have been studied by using molecular dynamics (MD) method in Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator (LAMMPS). In this regard, structural evolution of the bimetallic FeNi3 crystalline and amorphous nanoalloys has been investigated by means of MD simulation combined with embedded atom model (EAM) with taking into account the effect of temperature (300-1700 K), particle size (2 nm-6 nm) and particle shape (spherical and cubic) on radial distribution functions, inter-atomic distances, coordination numbers, core-to-surface concentration profiles, surface energies and Voronoi analysis. From the molecular dynamics simulations, it has been clearly observed that the structural evolution, melting point and atomic arrangements of the nanoparticles exhibited strongly size and shape dependent behavior. As the particle size of the simulated nanoparticles increased, the particles became more heat-resistant and mostly preserved their stable crystalline structure, shape and mixing pattern at high temperatures. Also, it has been observed that the 6 nm nanoparticles owned the FCC lattice structure at room temperature which is consistent with the L12-type ordered structure of the synthesized FeNi3 nanoparticles with soft magnetic properties via mechanical alloying.In the experimental part of the study, FeNi3 bimetallic nanoalloys were synthesized by mechanical alloying in a planetary high energy ball milling. The experimental studies were carried out in three parts. Firstly, Fe-Ni powders were synthesized by mechanical alloying with 250 rpm under dry atmosphere. Secondly, in order to investigate the effect of the milling speed on the structural and magnetic properties of the nanopowders, the speed was increased to 400 rpm. Also, to observe the surfactant effect, two-step mechanical alloying was applied in which surfactants and solvent were inserted into the system, once mechanical alloying was completed. The characterization of the alloyed nanoparticles in terms of the structural and magnetic properties was done by X-ray diffraction, scanning electron microscopy, energy dispersive spectroscopy, and vibrating-sample magnetometer. It was found that the amount of nano-sized particles raised with increasing milling time and milling speed, and consequently the magnetic properties of the particles varied. However, no significant effect of surfactants on the particle size was observed. The smallest, L12-type ordered FeNi3 nanopowders with 5.815 nm crystallite size, -0.46% strain value, and 3.543 Å lattice parameter, showing soft magnetic properties, were synthesized by mechanical alloying with 400 rpm under dry condition after 80 h milling time.