Structural, electronic and magnetic properties of FeNi alloys a DFT study

Abstract

The structural, electronic, magnetic, and thermodynamic properties of Llo-FeNi alloys and their cobalt-doped counterparts have been investigated to assess the impact of cobalt as substitutional defects. This study aims to explore potential alternatives for more efficient permanent magnets in advanced applications. The research was conducted within the framework of Density Functional Theory (DFT), where doping was performed at two different sites within the parent alloy: nickel substitution (ON) and iron substitution (OFC). The computed lattice parameters showed excellent agreement with previous studies, while the formation energy calculations indicated that cobalt doping enhances the structural stability of the alloy. Furthermore, the results revealed that the FeNi:Co (ONi) alloy exhibits a significant increase in magnetic moments and saturation magnetization (Ms), whereas FeNi:Co (Ore) shows a slight decrease in Ms. From a thermodynamic perspective, the study was conducted using the quasi-harmonic Debye model, demonstrating that reducing cobalt concentration leads to a decrease in both the volumetric thermal expansion coefficient and the Debye temperature. Based on these findings, cobalt-substituted FeNi alloys emerge as promising candidates for rare-earth-free permanent magnets. الملخص: تمت دراسة الخصائص البنيوية، الإلكترونية، المغناطيسية، والديناميكية الحرارية لسبائك Llo-FeNi ونسختها المطعمة بالكوبالت بهدف التحقق في تأثير الكوبالت كعيوب استبدالية. يهدف هذا البحث إلى استكشاف بدائل مغناطيسية دائمة أكثر كفاءة للتطبيقات المتقدمة. تمت الدراسة ضمن إطار نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) ، حيث تم التطعيم في موقعين مختلفين داخل السبيكة الأم استبدال النيكل (ON) و استبدال الحديد .(Ore) أظهرت نتائج ثوابت الشبكة المحسوبة توافقا ممتازا مع الدراسات السابقة، كما كشفت حسابات طاقة التكوين أن إضافة الكوبالت تعزز الاستقرار البنيوي للسبيكة. علاوة على ذلك، بينت النتائج أن السبيكة (FeNi Co (ON تتمتع بزيادة كبيرة في العزوم المغناطيسية والمغناطيسية التشبعية (Ms)، بينما في (FeNi Co (Ore ، لوحظ انخفاض طفيف في .Ms. أما من الناحية الديناميكية الحرارية فقد تمت الدراسة باستخدام نموذج ديباي شبه التوافقي، حيث تبين أن تقليل تركيز الكوبالت يؤدي إلى خفض كل من معامل التمدد الحراري الحجمي ودرجة حرارة ديباي بناءً على هذه النتائج، تعد سبائك FeNi المطعمة بالكوبالت مرشحين واعدين للمغناطيسات الدائمة الخالية من العناصر الأرضية النادرة..