[논문 리뷰] Designing rare-earth free permanent magnets in Heusler alloys via interstitial doping

Qiang Gao, Ingo Opahle외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 07.

Magnetic Properties of Alloys참고 문헌 35인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 희토류를 포함하지 않는 영구자석을 입방 Heusler 합금에서 설계하기 위한 전략을 제안하며, 경량 침입 원소(H, B, C, N)를 도핑하여 강한 테트라고날 비틀림을 유도하고, 이로 인해 축방향 자화결정이성도 에너지(MAE)가 크게 향상됨을 보여준다. 고성능 밀도함수이론(DFT) 계산을 통해 MAE > 0.4 MJ/m³인 32개의 후보를 규명하였으며, 이는 침입 원자 주변의 국소적 화학 결합 변화와 대칭성 파괴에 기인한 것으로 분석되어 희토류를 포함하지 않는 경쟁 가능한 영구자석으로의 길을 열어준다.

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.

연구 동기 및 목표

• Sm-Co 및 Nd-Fe-B 자석의 비용과 수급 리스크를 해결하기 위해 고성능 희토류를 포함하지 않는 영구자석을 개발하기 위해.
• 경량 침입 원소(H, B, C, N)가 입방 Heusler 합금에서 큰 자화결정이성도 에너지(MAE)를 유도할 수 있는지 조사하기 위해.
• 고성능 DFT 필터링을 통해 안정된 Heusler 화합물 중 상당한 축방향 MAE를 갖는 것을 규명하기 위해.
• 침입 원소에 의해 유도된 국소적 비틀림과 화학 결합 변화를 분석함으로써 증가한 MAE의 기원을 이해하기 위해.

제안 방법

• 입방 Heusler 합금에서 침입 원소 H, B, C, N의 영향을 평가하기 위해 고성능 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행하였다.
• 침입 원소 도핑에 따른 인터페이스 및 테트라고날 비틀림은 c/a 비율 계산과 구조적 리라크세이션 분석을 통해 분석되었다.
• 자화결정이성도 에너지(MAE)는 외부 및 내부 자화 상태 간의 총 에너지 차이를 계산하여 산출되었다.
• MAE는 궤도 운동량 분석과 통합 결정궤도 해밀토니안 인구(ICOHP)를 통한 화학 결합 분석을 통해 추가로 분해되었다.
• 증가한 MAE의 기원을 해석하기 위해 이론적 모델, 즉 Bruno의 모델과 섭동 이론이 적용되었다.
• 유망한 후보를 걸러내기 위해 부정적 형성 에너지와 위치 선호도 기준 등 안정성 기준이 사용되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Heusler 합금에서의 침입 원소 도핑이 고성능 영구자석으로서의 자격을 갖추기 위해 충분한 축방향 자화결정이성도 에너지(MAE)를 유도할 수 있는가?
• RQ2 침입 원소에 의해 증가한 MAE에 있어 국소적 화학 결합과 격자 비틀림의 역할은 무엇인가?
• RQ3 H, B, C, N 중 어떤 침입 원소가 입방 Heusler 화합물에서 큰 MAE를 유도하는 데 가장 효과적인가?
• RQ4 침입 원소는 Fe와 Ni 원자의 궤도 자화 모멘트와 이성도 기여도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 MAE 증가의 주요 원인은 대칭성 파괴인지, 특정한 화학 결합 변화인지 여부는 무엇인가?

주요 결과

• 침입 원소 도핑 후 총 32개의 Heusler 화합물에서 축방향 MAE가 0.4 MJ/m³를 초과하여 영구자석 응용에 매우 큰 잠재력을 보였다.
• 가장 높은 축방향 MAE는 질소 침입 도핑을 받은 Ni₂FeGa에서 관측되었으며, 0.95 MJ/m³로 일반 페라이트 및 AlNiCo 자석의 0.03–0.04 MJ/m³보다 크게 초과하였다.
• C와 N 침입 원소는 Fe와 Ni 원자와 강한 국소적 화학 결합을 형성하였으며, 특히 침입 원자 아래에 위치한 Fe-iii 원자와 강한 결합을 형성하여, 이들의 궤도 운동량 기여도가 MAE에 대해 200% 이상 증가시켰다.
• MAE 향상은 전반적인 테트라고날 비틀림 외에도 국소적 비틀림과 화학 결합 변화에 의해 주로 이뤄졌으며, ICOHP 값과 MCA 기여도 간의 강한 상관관계로 이를 뒷받침하였다.
• H 침입 원소는 약한 결합(ICOHP = -0.63 eV)으로 인해 MAE 향상이 미미하였고, 반면 C와 N 침입 원소는 더 강한 결합(ICOHP = -2.88 eV 및 -2.38 eV)으로 인해 훨씬 더 강한 영향을 미쳤다.
• N 도핑 시 Fe-iii 원자의 MAE 기여도는 0.681 meV/atom로 증가하였고, C 도핑 시에는 0.508 meV/atom로 증가하였으며, 이는 순수한 화합물의 0.260 meV/atom보다 두 배 이상 높은 것으로, 국소 화학 환경이 지배적인 역할을 함을 확인하였다.