[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究提出一种通过掺杂轻质间隙原子（H、B、C、N）在立方Heusler合金中设计无稀土永磁体的策略，该策略可诱导强烈的正交畸变并显著增强单轴磁致晶格各向异性能（MAE）。通过高通量密度泛函理论（DFT）计算，作者识别出32种MAE > 0.4 MJ/m³的候选材料，归因于间隙原子周围局部化学键合变化与对称性破缺，为开发无稀土元素的高性能永磁体提供了可行路径。

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.

研究动机与目标

• 开发高性能无稀土永磁体，以克服Sm-Co和Nd-Fe-B永磁体的成本与供应风险。
• 探究轻质间隙原子（H、B、C、N）是否可在立方Heusler合金中诱导出足够大的磁致晶格各向异性能（MAE）。
• 通过高通量DFT筛选，识别出具有显著单轴MAE的稳定Heusler化合物。
• 通过分析间隙原子诱导的局部畸变与化学键合变化，阐明MAE增强的起源。

提出的方法

• 采用高通量密度泛函理论（DFT）计算，评估间隙H、B、C和N原子对立方Heusler合金磁性能的影响。
• 通过计算c/a比和间隙掺杂下的结构弛豫，分析界面与正交畸变。
• 利用磁化方向为垂直和平面方向时的总能差，计算磁致晶格各向异性能（MAE）。
• 通过轨道磁矩分析与基于集成晶体轨道哈密顿布居（ICOHP）的化学键合分析，进一步分解MAE。
• 应用理论模型，包括Bruno模型与微扰理论，解释MAE增强的起源。
• 采用负生成能与占位偏好等稳定性标准，筛选可行候选材料。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Heusler合金中，间隙掺杂是否能诱导出足够大的单轴磁致晶格各向异性能（MAE），使其具备高性能永磁体的潜力？
• RQ2 局部化学键合与晶格畸变在间隙原子诱导的MAE增强中起何作用？
• RQ3 在H、B、C、N中，哪种间隙元素在立方Heusler化合物中诱导大MAE的效果最显著？
• RQ4 间隙原子如何影响邻近Fe和Ni原子的轨道磁矩与各向异性贡献？
• RQ5 MAE的增强是否主要归因于对称性破缺，还是特定化学键合变化？

主要发现

• 共32种Heusler化合物在间隙掺杂后表现出超过0.4 MJ/m³的单轴MAE，显示出在永磁体应用中的强潜力。
• 在Ni₂FeGa中氮间隙掺杂时观察到最高的单轴MAE，达0.95 MJ/m³，显著超过传统铁氧体和AlNiCo永磁体的0.03–0.04 MJ/m³。
• C和N等间隙原子与Fe和Ni原子形成强局部化学键，尤其与间隙下方的Fe-iii原子形成强键，使其对MAE的轨道磁矩贡献提升超过200%。
• MAE的增强主要由局部畸变与化学键合变化驱动，而非仅由全局正交畸变引起，这由ICOHP值与MCA贡献之间的强相关性得到证实。
• H间隙原子仅引起微弱的MAE增强（ICOHP = -0.63 eV），而C和N间隙原子因形成更强键（ICOHP = -2.88 eV和-2.38 eV），表现出显著更强的影响。
• Fe-iii原子对MAE的贡献在N掺杂时增至0.681 meV/atom，C掺杂时增至0.508 meV/atom，均超过原始化合物（0.260 meV/atom）的两倍以上，证实了局部化学环境的主导作用。