[論文レビュー] Effect of doping by 5$d$ elements on magnetic properties of (Fe$_{1-x}$Co$_x$)$_2$B alloys

Å. Edström, Mirosław Werwiński+12 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2015

Magnetic Properties of Alloys被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、(Fe₁₋ₓCoₓ)₂B合金におけるReおよびWドーピングが磁気異方化エネルギー（MAE）を向上させるかを調査した。密度汎関数理論（DFT）と実験的検証を用いて、2.5 at.%のReドーピングが、ドーピングされていない（Fe₀.₇Co₀.₃)₂Bと比較してMAEを50%向上させることを示した。これは、高異方性を持つ永久磁石の応用に有望な候補である。

ABSTRACT

We have explored, computationally and experimentally, the magnetic properties of (Fe$_{1-x}$Co$_x$)$_2$B alloys. Calculations provide a good agreement with experiment in terms of the saturation magnetization and the magnetocrystalline anisotropy energy with some difficulty in describing Co$_2$B as discussed further in the text. The material exhibits a uniaxial magnetic anisotropy for a range of cobalt concentrations between $x=0.1$ and $x=0.5$. Using density functional theory based calculations we have explored the effect of substitutional doping the transition metal sublattice by the whole range of 5$d$ transition metals and found that doping by Re or W elements should significantly enhance the magnetocrystalline anisotropy energy. Experimentally, W doping did not succeed in enhancing the magnetic anisotropy due to formation of other phases. On the other hand, doping by Ir and Re was successful and resulted in magnetic anisotropies that are in agreement with theoretical predictions. In particular, doping by 2.5~at.\% of Re on the Fe/Co site shows a magnetocrystalline anisotropy energy which is increased by 50\% compared to its parent (Fe$_{0.7}$Co$_{0.3}$)$_2$B compound, making this system interesting, for example, in the context of permanent magnet replacement materials or in other areas where a large magnetic anisotropy is of importance.

研究の動機と目的

• 5d遷移金属ドーピングが(Fe₁₋ₓCoₓ)₂B合金における磁気異方性に与える影響を調査すること。
• 永久磁石への応用を想定し、磁気異方化エネルギー（MAE）を顕著に向上させるドーピング元素を同定すること。
• 理論的予測によるMAE向上を、実験的合成と特性評価を通じて検証すること。
• Wドーピングに関して、理論的予測と実験的結果の乖離の理由を解明すること。

提案手法

• 密度汎関数理論（DFT）を用いて、5dドーピングを施した(Fe₁₋ₓCoₓ)₂Bにおける飽和磁化および磁気異方化エネルギー（MAE）を計算した。
• 5d遷移金属（Re、W、Irなど）を、(Fe₁₋ₓCoₓ)₂B構造のFe/Coサイトに体系的に置換した。
• 理論的予測されたMAEと、ドーディング試料における実験的測定値を比較した。
• 実験的合成を用いて、ReおよびIrドーピングされた(Fe₁₋ₓCoₓ)₂Bにおける相安定性および磁気異方性を評価した。
• x = 0.1–0.5のCo濃度範囲における、ドーピングに起因する一次元異方性の構造的および磁気的応答を焦点として分析した。
• ReおよびIrドーピング系におけるDFTで計算されたMAEと、実験的に測定された異方性との整合性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どの5d遷移金属が(Fe₁₋ₓCoₓ)₂B合金における磁気異方化エネルギー（MAE）を最も効果的に向上させるか？
• RQ2 理論的予測が良好であったにもかかわらず、なぜWドーピングは実験的にMAEを向上させなかったのか？
• RQ3 2.5 at.%のReドーピングは、(Fe₀.₇Co₀.₃)₂BにおいてMAEをどの程度向上させることができるか。また、その向上は実験的に確認可能か？
• RQ4 Irドーピングは、(Fe₁₋ₓCoₓ)₂BにおいてReドーピングと比較して、実験的MAE向上の観点でどのように異なるか？
• RQ5 特定のドーピング元素（例：W）が磁気異方性を向上させることに効果を発揮できない要因として、相形成が果たす役割は何か？

主な発見

• DFT計算では、ReおよびWドーピングが(Fe₁₋ₓCoₓ)₂B合金における磁気異方化エネルギー（MAE）を顕著に向上させると予測された。
• 実験的ドーピングにより、ReおよびIrドーピングが磁気異方性を向上させたが、理論的予測と整合した。
• Wドーピングは理論的には好ましい結果を示したが、実験的には二次相の生成によりMAEの向上が達成されなかった。
• Fe/Coサイトに2.5 at.%のReをドーピングした場合、ドーピングされていない（Fe₀.₇Co₀.₃)₂Bと比較してMAEが50%向上した。
• 2.5 at.%のReでドーピングされた（Fe₀.₇Co₀.₃)₂B系は、磁気異方性が著しく向上しており、永久磁石応用の強力な候補である。
• ReおよびIrドーピングに関しては理論と実験の整合性が高く、一方Wドーピングでは整合性が欠けることから、材料設計において相安定性の重要性が浮き彫りになった。