[論文レビュー] Designing rare-earth free permanent magnets in Heusler alloys via interstitial doping

Qiang Gao, Ingo Opahle+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2019

Magnetic Properties of Alloys参考文献 35被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、軽い不規則格子原子（H、B、C、N）をドーピングすることで、立方晶ヒュースラー合金において強力なテトラゴナル歪みを誘発し、単軸磁気異方化エネルギー（MAE）を顕著に向上させる戦略を提案する。高 through ピューティング密度汎関数理論（DFT）計算を用いて、MAE > 0.4 MJ/m³ を満たす32の候補を同定し、その増幅要因として不規則格子周辺の局所的化学結合の変化と対称性の破れを特定した。これにより、希土類元素を含まない高性能永久磁石への道筋が示された。

ABSTRACT

Based on high-throughput density functional theory calculations, we investigated the effects of light interstitial H, B, C, and N atoms on the magnetic properties of cubic Heusler alloys, with the aim to design new rare-earth free permanent magnets. It is observed that the interstitial atoms induce significant tetragonal distortions, leading to 32 candidates with large ($>$ 0.4 MJ/m$^3$) uniaxial magneto-crystalline anisotropy energies (MAEs) and 10 cases with large in-plane MAEs. Detailed analysis following the the perturbation theory and chemical bonding reveals the strong MAE originates from the local crystalline distortions and thus the changes of the chemical bonding around the interstitials. This provides a valuable way to tailor the MAEs to obtain competitive permanent magnets, filling the gap between high performance Sm-Co/Nd-Fe-B and widely used ferrite/AlNiCo materials.

研究の動機と目的

• Sm-CoおよびNd-Fe-B磁石のコストおよび供給リスクを克服する高性能な希土類元素フリー永久磁石の開発。
• 軽い不規則格子原子（H、B、C、N）が立方晶ヒュースラー合金に大きな磁気異方化エネルギー（MAE）を誘発できるかの調査。
• 高 through ピューティングDFTスクリーニングを用いて、顕著な単軸MAEを示す安定なヒュースラー化合物の同定。
• 不規則格子が引き起こす局所的歪みと化学結合の変化を分析することで、MAE増幅の起源を解明。

提案手法

• 立方晶ヒュースラー合金における不規則格子H、B、C、N原子の磁気的性質への影響を評価するために、高 through ピューティング密度汎関数理論（DFT）計算を実施。
• 界面およびテトラゴナル歪みは、c/a比の計算および不規則格子ドーピング下での構造的弛緩を用いて分析。
• 磁気異方化エネルギー（MAE）は、磁化が面外方向と面内方向にあるときの全エネルギー差を用いて計算。
• MAEは、軌道磁化モーメント分析および統合結晶軌道ハミルトニアン密度（ICOHP）を用いた化学結合分析により、さらに分解した。
• MAE増幅の起源を解釈するために、ブルーノのモデルおよび摂動論の理論的モデルを適用。
• 候補の有効性を絞り込むために、形成エネルギーの負の値およびサイト選択の基準を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヒュースラー合金における不規則格子ドーピングが、高性能永久磁石としての資格を満たす十分な単軸磁気異方化エネルギー（MAE）を誘発できるか。
• RQ2 局所的化学結合と格子歪みが、不規則格子原子に起因するMAE増幅に果たす役割は何か。
• RQ3 H、B、C、Nのうち、どの不規則格子元素が立方晶ヒュースラー化合物において最大のMAEを誘発するか。
• RQ4 不規則格子原子は、周囲のFeおよびNi原子の軌道磁化モーメントおよび異方性寄与にどのように影響を与えるか。
• RQ5 MAE増幅は、主に対称性の破れに起因するのか、それとも特定の化学結合の変化に起因するのか。

主な発見

• 不規則格子ドーピング後、合計32のヒュースラー化合物が単軸MAE 0.4 MJ/m³を超えた。これは永久磁石応用への強い可能性を示している。
• 窒素不規則格子ドーピングによるNi₂FeGaで観測された最高の単軸MAEは0.95 MJ/m³であり、従来のフェリットおよびAlNiCo磁石の0.03–0.04 MJ/m³を著しく上回っている。
• CおよびNのような不規則格子原子は、FeおよびNi原子と強い局所的化学結合を形成し、特に不規則格子の下にあるFe-iii原子と強く結合した。その結果、Fe-iii原子のMAEに寄与する軌道モーメントが200%以上増加した。
• MAE増幅は、主に局所的歪みと化学結合の変化に起因しており、全体的なテトラゴナル歪みだけではなく、ICOHP値とMCA寄与の強い相関が示されたことから、そのように示唆された。
• H不規則格子原子は弱い結合（ICOHP = -0.63 eV）を示したため、MAE増幅はわずかであったが、CおよびN不規則格子原子は強い結合（それぞれICOHP = -2.88 eVおよび-2.38 eV）を示し、顕著な効果を示した。
• Nドーピング時、Fe-iii原子のMAE寄与は0.681 meV/atomに増加し、Cドーピング時も0.508 meV/atomに達した。これは、元の化合物の0.260 meV/atomをはるかに上回り、局所的化学環境の支配的役割を確認した。