【摘 要】
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金属玻璃是一种新型材料,它在结构上具有“长程无序,短程有序”的特点,具有优异的物理和化学性能。在诸多体系中,Co基金属玻璃在现代电气工业中表现出巨大的应用前景。然而,较差的玻璃形成能力和较低的饱和磁化强度严重限制了Co基金属玻璃的应用。材料的玻璃形成能力和磁性能与局域原子/电子结构相关。因此,探索Co基金属玻璃的局域原子/电子结构特征及其与玻璃形成能力和磁性能的关联非常重要。本文通过第一性原理分子
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金属玻璃是一种新型材料,它在结构上具有“长程无序,短程有序”的特点,具有优异的物理和化学性能。在诸多体系中,Co基金属玻璃在现代电气工业中表现出巨大的应用前景。然而,较差的玻璃形成能力和较低的饱和磁化强度严重限制了Co基金属玻璃的应用。材料的玻璃形成能力和磁性能与局域原子/电子结构相关。因此,探索Co基金属玻璃的局域原子/电子结构特征及其与玻璃形成能力和磁性能的关联非常重要。本文通过第一性原理分子动力学模拟研究了Co72.5-xFexSi12.5B15（x=0、4.5、20和36）合金在液态到非晶态转变过程中的局域原子结构特征,分析了这四种Co基合金在降温过程中的结构演变。从非晶态局域原子结构角度讨论了这四种Co基合金的玻璃形成能力差异的原因。基于密度泛函理论计算了四种Co基金属玻璃的态密度及磁矩,讨论了不同元素对于磁矩的贡献以及Fe对Co元素的取代对态密度及磁矩的影响。通过第一性原理分子动力学对四种Co基合金降温过程中的局域原子结构变化进行了模拟。研究结果表明,降温过程中平均原子间距离几乎不发生改变,但局域原子结构更加有序;Fe元素对Co的取代主要改变了B原子周围的局域结构,Fe元素取代促进＜0 3 6 0＞Voronoi多面体的产生,抑制＜0 3 6 4＞Voronoi多面体的产生,且这一作用与Fe含量有关。在高温液态时,四种Co基合金的Voronoi多面体指数主要为＜0 2 8 4＞和＜0 3 6 4＞,在降温过程中逐渐转变为＜0 2 8 4＞和＜0 3 60＞。通过对分布函数、配位数、不同原子间化学亲和性、Voronoi多面体和局域五重对称性对四种Co基金属玻璃的局域原子结构进行了表征,并预测了四种Co基合金的玻璃形成能力的变化趋势。结果表明,Fe取代Co原子提高了合金的玻璃形成能力,但与Fe含量相关。Co52.5Fe20Si12.5B15的不同原子间化学亲和性最高,局域五重对称性平均度最高,提高了结构稳定性,降低了体系的势能,提高了原子间堆积密度,因此具有最高的玻璃形成能力。通过实验制备金属玻璃条带和热力学实验对计算预测结果进行了验证,发现四种Co基合金的玻璃形成能力从高到低依次为Co52.5Fe20Si12.5B15,Co68Fe4.5Si12.5B15,Co36.5Fe36Si12.5B15和Co72.5Si12.5B15。利用密度泛函理论计算了四种Co基金属玻璃的电子结构和Co、Fe、Si和B原子对磁矩的贡献,预测了饱和磁感应强度的变化趋势。结果表明,Fe取代Co原子对态密度曲线影响较小,四种Co基金属玻璃均具有铁磁性。总磁矩由Co原子的3d轨道提供,随着Fe含量的增加,总磁矩逐渐转变为由Fe原子的3d轨道提供,Si和B原子仅提供很小的磁矩,同时总磁矩随着Fe含量的增加而增加。通过实验测试验证了理论预测结果,发现四种Co基金属玻璃的饱和磁矩从高到低依次为Co36.5Fe36Si12.5B15,Co52.5Fe20Si12.5B15,Co68Fe4.5Si12.5B15和Co72.5Si12.5B15。
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