[논문 리뷰] Effect of doping by 5$d$ elements on magnetic properties of (Fe$_{1-x}$Co$_x$)$_2$B alloys

Å. Edström, Mirosław Werwiński외 12명|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 20.

Magnetic Properties of Alloys인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 (Fe₁₋ₓCoₓ)₂B 합금에서 Re 및 W 도핑을 통해 자화결정이성도 에너지(MAE)를 향상시키는 것을 조사한다. 밀도함수이론(DFT)과 실험적 검증을 통해 2.5 at.% Re 도핑이 도핑되지 않은 (Fe₀.₇Co₀.₃)₂B에 비해 MAE를 50% 향상시킴을 입증하여 고이성도 permanent 자석에 유망한 후보로 제시한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 5d 전이금속 도핑이 (Fe₁₋ₓCoₓ)₂B 합금에서 자성 이성도에 미치는 영향을 탐색하기 위해.
• permanent 자석 응용을 위한 잠재적 사용을 위해 자화결정이성도 에너지(MAE)를 크게 향상시키는 도핑제를 특정하기 위해.
• 이론적 예측된 MAE 향상 정도를 실험적 합성 및 특성 분석을 통해 검증하기 위해.
• W 도핑에 대해 이론적 예측과 실험적 결과 사이의 괴리 원인을 이해하기 위해.

제안 방법

• 밀도함수이론(DFT)을 사용하여 (Fe₁₋ₓCoₓ)₂B에 5d 도핑이 있는 경우의 포화자화 및 자화결정이성도 에너지(MAE)를 계산하였다.
• 체계적으로 (Fe₁₋ₓCoₓ)₂B 구조의 Fe/Co 서브격자에 5d 전이금속(Re, W, Ir 등)을 치환하였다.
• 이론적 예측된 MAE를 도핑된 샘플에 대한 실험 측정치와 비교하였다.
• 실험적 합성을 통해 Re 및 Ir 도핑된 (Fe₁₋ₓCoₓ)₂B의 상 안정성과 자성 이성도를 평가하였다.
• x = 0.1–0.5 범위의 Co 농도에서 축방향 이성도에 초점을 맞춰 도핑에 따른 구조적 및 자성 반응을 분석하였다.
• Re 및 Ir 도핑 시스템에서 DFT로 계산된 MAE와 실험적으로 측정된 이성도 간의 일치성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어느 5d 전이금속이 (Fe₁₋ₓCoₓ)₂B 합금에서 자화결정이성도 에너지(MAE)를 가장 효과적으로 향상시키는가?
• RQ2 왜 W 도핑은 유리한 DFT 예측에도 불구하고 실험적으로 MAE 향상을 이루지 못하는가?
• RQ3 2.5 at.% Re 도핑은 (Fe₀.₇Co₀.₃)₂B에서 MAE를 어느 정도 향상시키며, 이 향상은 실험적으로 검증 가능한가?
• RQ4 Re 도핑과 비교할 때 Ir 도핑은 (Fe₁₋ₓCoₓ)₂B에서 실험적 MAE 향상도에서 어떻게 다른가?
• RQ5 어떤 도핑제(예: W)의 자성 이성도 향상 효과를 제한하는 상 형성의 역할은 무엇인가?

주요 결과

• DFT 계산 결과, Re 및 W 도핑이 (Fe₁₋ₓCoₓ)₂B 합금에서 자화결정이성도 에너지(MAE)를 크게 향상시킨다.
• 실험적 도핑을 통해 Re 및 Ir 도핑이 자성 이성도를 성공적으로 향상시켰으며, 이는 이론적 예측과 일치한다.
• W 도핑은 유리한 이론적 결과에도 불구하고, 부가 상의 형성으로 인해 실험적으로 MAE 향상을 이루지 못했다.
• Fe/Co 자리에 2.5 at.% Re 도핑이 도핑되지 않은 (Fe₀.₇Co₀.₃)₂B에 비해 MAE를 50% 향상시켰다.
• 2.5 at.% Re 도핑된 (Fe₀.₇Co₀.₃)₂B 시스템은 자성 이성도가 크게 향상되어 permanent 자석 응용에 매우 유망한 후보로 나타났다.
• 이론과 실험 간의 일치는 Re 및 Ir의 경우 높았지만, W의 경우 그렇지 않아 자료 설계에서 상 안정성의 중요성을 부각시킨다.