[论文解读] Discovery and implications of hidden atomic-scale structure in a metallic meteorite

András Kovács, L. H. Lewis+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2021

Geomagnetism and Paleomagnetism Studies参考文献 45被引用 7

一句话总结

本研究利用原子分辨率透射电子显微镜和原子探针谱学，在金属陨石 NWA 6259 的四面体镍铁矿基体中发现了一种此前未被探测到的反铁磁性 FeNi 纳米相（A6 型，直径约 2 nm）。该纳米相与铁磁性的 A2 相及 L12 相共同构成复杂的微磁态，导致相界处磁畴壁发生畸变，从而降低饱和磁化强度，使四面体镍铁矿作为可持续高性能永磁体的潜力被低估高达 20%。

ABSTRACT

Iron and its alloys have made modern civilisation possible, with metallic meteorites providing one of the human's earliest sources of usable iron as well as providing a window into our solar system's billion-year history. Here highest-resolution tools reveal the existence of a previously hidden FeNi nanophase within the extremely slowly cooled metallic meteorite NWA 6259. This new nanophase exists alongside Ni-poor and Ni-rich nanoprecipitates within a matrix of tetrataenite, the uniaxial, chemically ordered form of FeNi. The ferromagnetic nature of the nanoprecipitates combined with the antiferromagnetic character of the FeNi nanophases give rise to a complex magnetic state that evolves dramatically with temperature. These observations extend and possibly alter our understanding of celestial metallurgy, provide new knowledge concerning the archetypal Fe-Ni phase diagram and supply new information for the development of new types of sustainable, technologically critical high-energy magnets.

研究动机与目标

• 揭示金属陨石中常规显微技术无法探测到的原子尺度微观结构。
• 确定超细 FeNi 析出相对富四面体镍铁矿陨石的磁性和结构作用。
• 评估此前未被计入的反铁磁相如何影响四面体镍铁矿的技术磁性能。
• 评估该微观结构对天然磁体性能估算准确性及可持续磁体研发的影响。

提出的方法

• 采用大角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）对 NWA 6259 中 FeNi 相进行原子尺度成像。
• 利用三维原子探针谱学（APT）在亚纳米分辨率下量化纳米相的化学成分及其空间分布。
• 采用电子背散射衍射（EBSD）确认单晶特性，并指导特定位置的样品制备。
• 基于 APT 获得的微观结构进行微磁模拟，以模拟磁畴构型及畴壁动力学。
• 在室温下进行磁滞回线测量，以评估饱和磁化强度及畴翻转行为。
• 结合聚焦离子束铣削、透射电镜和 APT 的关联显微技术，建立微观结构与磁响应之间的关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管具备高分辨成像能力，NWA 6259 陨石四面体镍铁矿基体中仍隐藏着哪些原子尺度的微观结构特征？
• RQ2 新发现的反铁磁性 FeNi 纳米相（A6 型）的磁性如何影响陨石的整体磁化强度？
• RQ3 反铁磁相与铁磁相纳米相的存在在多大程度上导致磁畴壁畸变并影响磁化翻转？
• RQ4 天然四面体镍铁矿在陨石中的最大能积为何被低估？这对它作为可持续永磁体的潜力有何影响？

主要发现

• 在 NWA 6259 的四面体镍铁矿基体中发现了一种此前未被探测到的反铁磁性 FeNi 纳米相（A6 型），其直径为 2.0±0.5 nm。
• 该反铁磁性纳米相通过充当磁性“空洞”降低陨石的饱和磁化强度，从而减弱有效磁响应。
• 微磁模拟表明，由于磁各向异性差异，磁畴壁在与 L12 片层相交处发生畸变，形成弯曲结构。
• 在 L10 相中，畴壁宽度为 5.6 nm；在 L12 相中为 18 nm，表明相界处存在显著的能量差异。
• 第三次室温磁滞回线显示饱和磁化强度显著增加，表明反铁磁相已溶解，从而证实其对磁化的抑制作用。
• 这些隐藏相的存在导致四面体镍铁矿的最大能积被低估 15–20%，提示若经适当处理，其性能可达稀土磁体的约 70%。