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      鐵氮化合物的高壓反常物性以及新相
      編輯:數理系磁性材料物性研究室 成泰民     發布時間:2019-01-12

      由于鐵氮化合物中γˊ-Fe4N的優異的磁性能和化學穩定性受到研究人員的廣泛關注。γˊ-Fe4N具有立方結構,由于γ-Fe的面心處的6個Fe構成的8面體間隙(γ-Fe的體心處)N原子的溶入,使得面心立方的γ-Fe的晶格常數膨脹了,其空間群為

      Zhang Wenxu等人研究了γ-Fe中磁矩誘導聲子的工作,這引起了我們的關注。因為,在高壓下γˊ-Fe4N的晶格動力角度研究聲子譜穩定性及分析的工作還沒有報道過。為了更加深入理解γˊ-Fe4N微觀及宏觀動力學性質,我們系統地研究了磁矩對γˊ-Fe4N的聲子譜的影響以及壓力誘導下的聲子特性。

      壓力導致的鐵磁性晶態合金的“軟模相變”的實驗研究很少有報道,主要原因在于:高壓下非彈性中子散射實驗或者拉曼散射實驗測定整個布里淵區的聲子譜具有困難,而且必須同時測定體系的磁性和晶體結構這就加大了實驗的難度。而基于密度泛函理論的第一性原理可以計算體系在整個布里淵區上的聲子譜,這為晶態物質的軟模相變研究提供了計算技術。我們借鑒上述理論和計算技術處理了10GPa下的γˊ-Fe4N在M點處的聲學支聲子軟化,發現了高壓新相P2/m-Fe4N。


      圖1: 對于γˊ-Fe4N原胞2×2×1的擴胞后,在XY平面(即[100]-[010]平面)上按虛頻對應的極化向量方向對于Fe和N原子做了移動示意圖.


      圖2 在10GPa下,(a)沿M點的低頻聲子軟化模式移動[100]-[010]平面上的Fe原子和N原子得到的能量演化曲線。(b)P2/m結構Fe4N晶態合金的聲子譜。(c)對應的聲子態密度。


      圖3.(a)P2/m結構的Fe4N相對于γˊ結構的Fe4N焓差隨壓力的變化。(b)P2/m結構的Fe4N與結構的Fe4N的磁矩隨壓力的變化。

      此高壓新相具有如下特性:

      (1)壓力小于1GPa時高壓新相P2/m-Fe4N是熱力學穩定的相,且磁矩與γˊ-Fe4N的磁矩幾乎相同。因此,常壓下P2/m相能夠穩定的存在。2.9GPa~19GPa時,P2/m相的焓比γˊ相的焓小,基態結構更穩定。大于20GPa時,兩相磁矩幾乎相同。這為高壓下(如10GPa)制備有序 Fe4N晶態合金時(因為P2/m相焓遠小于γˊ相),容易制備出單相P2/m相,而且在常壓下P2/m相的磁矩與γˊ相的磁矩幾乎差不多。但新相的矯頑力及諸多磁性質沒有通過VSM(振動樣品磁強計)進行直接測量,這為新相P2/m的制備及物性的實驗研究而言具有理論指導意義。

      (2)對于磁性材料的應用而言,其飽和磁化強度與矯頑力都對應用起決定性的作用。高壓下從理論上找到的P2/m相的對稱性低于γˊ相,因此其磁晶各向異性能比γˊ相的Fe4N大,在晶粒尺寸相同的情況下,我們認為P2/m相矯頑力比γˊ相大。所以,我們預測P2/m相的晶態合金Fe4N具有磁存儲媒質和磁頭材料的潛在應用價值。

      本研究得到國家自然科學面上基金(批準號:11374215)的資助,相關成果發表于Journal of Magnetism and Magnetic Materials 451 (2018) 87–95(2區,IF:3.06)


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