西安交通大學(xué)科研人員在磁性材料固態(tài)相變領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

磁性材料廣泛應(yīng)用于信息、交通、能源和國(guó)防等領(lǐng)域，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)與國(guó)防建設(shè)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)之一。調(diào)控磁性材料的固態(tài)相變使之處于雙相或多相狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)磁性相間的磁性或彈性相互作用，從而獲得顯著優(yōu)于單相材料的磁性能；將磁性材料與壓電材料進(jìn)行復(fù)合，還可使磁性材料在電場(chǎng)中發(fā)生固態(tài)相變，實(shí)現(xiàn)磁電耦合，從而拓展材料的功能范圍。因此，基于固態(tài)相變研發(fā)高性能磁性材料及多功能材料成為當(dāng)前該領(lǐng)域國(guó)際上的前沿方向。近期，通過(guò)理工交叉與合作研究，西安交通大學(xué)前沿科學(xué)技術(shù)研究院馬天宇教授團(tuán)隊(duì)在磁性材料固態(tài)相變方面取得了重要進(jìn)展。

針對(duì)高溫磁性最強(qiáng)的永磁材料——2:17 型釤鈷磁體的長(zhǎng)期爭(zhēng)議問(wèn)題“胞狀相還是胞壁相為析出相”，研究團(tuán)隊(duì)與東北大學(xué)高建榮教授和香港城市大學(xué)任洋教授合作，采用原位高能XRD 技術(shù)和高分辨TEM 技術(shù)清晰地揭示了胞壁相的形核與長(zhǎng)大過(guò)程，從而確認(rèn)胞壁相為析出相。該團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)在材料混合型固態(tài)相變的早期階段，胞壁1:5H 相的有效形核溫度遠(yuǎn)高于位錯(cuò)的開(kāi)動(dòng)溫度(圖1)?；谠摪l(fā)現(xiàn)，團(tuán)隊(duì)在有效形核溫度附近進(jìn)行預(yù)時(shí)效處理，提高了析出相的形核率，在終態(tài)磁體中形成了更多的胞壁相，增強(qiáng)了疇壁釘扎作用，從而使磁體具備更好的硬磁性能。該工作以《2:17 型釤鈷永磁體早期分解階段的原位高能X 射線(xiàn)衍射研究》(In-situ high-energy X-ray diffraction study of the early-stage decomposition in 2:17-type Sm-Cobased permanent magnets)為題在金屬材料領(lǐng)域旗艦刊物《材料學(xué)報(bào)》（Acta Materialia）在線(xiàn)發(fā)表。

圖1 2:17 型Sm-Co 磁體的原位升溫高能XRD 圖譜: 1:5H析出相形核溫度Tnd 高于位錯(cuò)開(kāi)動(dòng)溫度Ta

在前期“鐵磁合金中析出共格第二相可實(shí)現(xiàn)高靈敏磁致伸縮效應(yīng)”工作的基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)研究了大磁致伸縮Fe-Ga 合金早期脫溶階段的時(shí)效時(shí)間-溫度-相變（Time-Temperature-Transformation，TTT）關(guān) 系，明確了四方結(jié)構(gòu)析出相由共格轉(zhuǎn)變?yōu)榉枪哺褚约坝泻Φ拇紊辔龀龅呐R界熱處理?xiàng)l件，并建立了基于磁致伸縮性能的非平衡TTP（Time-Temperature-Property）相圖（圖2）。在非平衡TTT 相圖指導(dǎo)下，采用優(yōu)化的熱處理工藝將材料的磁致伸縮性能提高到單相狀態(tài)的3 倍。該工作以《增強(qiáng)Fe-Ga 合金磁致伸縮效應(yīng)的時(shí)間-溫度-轉(zhuǎn)變非平衡相圖》“Non-equilibrium time-temperature-transformation diagram for enhancing magnetostriction of Fe-Ga alloys” 為 題在《材料學(xué)報(bào)》（Acta Materialia）在線(xiàn)發(fā)表，前沿院博士生張藝群和青年教師茍峻銘博士為論文第一作者。此外，該團(tuán)隊(duì)與中國(guó)工程物理研究院張昌盛研究員合作，采用原位磁化小角中子散射(SANS)技術(shù)研究了共格析出相在磁化過(guò)程中的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)兩相交換耦合長(zhǎng)度大于析出相尺寸，兩相間自旋過(guò)渡區(qū)先于基體磁疇而發(fā)生翻轉(zhuǎn)，從而闡明了納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生高靈敏磁場(chǎng)響應(yīng)的物理機(jī)制。相關(guān)論文《大磁致伸縮Fe-Ga 合金納米異質(zhì)相的響應(yīng)：原位磁化小角中子散射研究》(Nanoheterogeneity response in large-magnetostriction Fe-Ga alloys: an insitu magnetic small-angle neutron scattering study)發(fā)表于《材料學(xué)報(bào)》（Acta Materialia）。

圖2 大磁致伸縮Fe-Ga 合金的非平衡TTT 及TTP 相圖

為闡明氧空位對(duì)稀土氧化物強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系磁性和輸運(yùn)性質(zhì)的作用機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)采用高溫原位高分辨TEM 技術(shù)，從原子尺度揭示了Nd0.5Sr0.5MnO3(NSMO) 薄膜隨氧空位濃度增加從鈣鈦礦(perovskite)結(jié)構(gòu)到形成層錯(cuò)再到鈣鐵石(brownmillerite)結(jié)構(gòu)的拓?fù)湎嘧冞^(guò)程(圖3)，并通過(guò)調(diào)節(jié)氧空位濃度實(shí)現(xiàn)了對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)、磁性和電阻的精確調(diào)控。該工作以《軌道有序Nd0.5Sr0.5MnO3薄膜中氧空位誘導(dǎo)拓?fù)湎嘧兊脑谎芯俊?In-situ investigation on the oxygen vacancy-driven topotactic phase transition in charge-orbital ordered Nd0.5Sr0.5MnO3)為題在《材料學(xué)報(bào)》（Acta Materialia）在線(xiàn)發(fā)表，前沿院博士生肖安冬和青年教師劉瑤副教授為論文第一作者。此外，該團(tuán)隊(duì)與中科院物理所胡鳳霞研究員團(tuán)隊(duì)合作，在PMN-PT 壓電單晶襯底上成功制備了（110）外延NSMO 薄膜，利用襯底的電致伸縮效應(yīng)向NSMO 薄膜傳遞面內(nèi)各向異性應(yīng)變，使薄膜在小電場(chǎng)下發(fā)生鐵磁金屬態(tài)向反鐵磁絕緣態(tài)的一級(jí)相變，獲得了高靈敏電致阻變效應(yīng)(圖4)，為發(fā)展高性能異質(zhì)結(jié)自旋器件提供了重要候選。該工作以《電場(chǎng)靈敏調(diào)控外延多鐵異質(zhì)結(jié)的一級(jí)相變》（Sensitive electric field control of first-order phase transition in epitaxial multiferroic heterostructures）為題發(fā)表于《材料學(xué)報(bào)》（Acta Materialia）。

圖3 NSMO 薄膜的原位等溫（500 ℃）HR-TEM 表征結(jié)果：由氧空位濃度增加誘發(fā)的拓?fù)湎嘧冞^(guò)程

圖4 （011）NSMO/PMN-PT 外延異質(zhì)結(jié)的原子結(jié)構(gòu)、溫度-電場(chǎng)相圖、電致阻變和電控磁性