西安交大科研人员在磁性材料固态相变领域取得重要进展

磁性材料广泛应用于信息、交通、能源和国防等领域，是国民经济与国防建设的重要物质基础之一。调控磁性材料的固态相变使之处于双相或多相状态，可实现磁性相间的磁性或弹性相互作用，从而获得显著优于单相材料的磁性能；将磁性材料与压电材料进行复合，还可使磁性材料在电场中发生固态相变，实现磁电耦合，从而拓展材料的功能范围。因此，基于固态相变研发高性能磁性材料及多功能材料成为当前该领域国际上的前沿方向。近期，通过理工交叉与合作研究，西安交通大学前沿科学技术研究院马天宇教授团队在磁性材料固态相变方面取得了重要进展。

针对高温磁性最强的永磁材料——2:17型钐钴磁体的长期争议问题“胞状相还是胞壁相为析出相”，研究团队与东北大学高建荣教授和香港城市大学任洋教授合作，采用原位高能XRD技术和高分辨TEM技术清晰地揭示了胞壁相的形核与长大过程，从而确认胞壁相为析出相。该团队还发现在材料混合型固态相变的早期阶段，胞壁1:5H相的有效形核温度远高于位错的开动温度(图1)。基于该发现，团队在有效形核温度附近进行预时效处理，提高了析出相的形核率，在终态磁体中形成了更多的胞壁相，增强了畴壁钉扎作用，从而使磁体具备更好的硬磁性能。该工作以《2:17型钐钴永磁体早期分解阶段的原位高能X射线衍射研究》(In-situ high-energy X-ray diffraction study of the early-stage decomposition in 2:17-type Sm-Co-based permanent magnets)为题在金属材料领域旗舰刊物《材料学报》（Acta Materialia）在线发表，前沿院博士生宋欣为论文第一作者。

图 2:17型Sm-Co磁体的原位升温高能XRD图谱: 1:5H析出相形核温度Tnd高于位错开动温度Ta

在前期“铁磁合金中析出共格第二相可实现高灵敏磁致伸缩效应”工作的基础上，该团队系统研究了大磁致伸缩Fe-Ga合金早期脱溶阶段的时效时间-温度-相变（Time-Temperature-Transformation，TTT）关系，明确了四方结构析出相由共格转变为非共格以及有害的次生相析出的临界热处理条件，并建立了基于磁致伸缩性能的非平衡TTP（Time-Temperature-Property）相图（图2）。在非平衡TTT相图指导下，采用优化的热处理工艺将材料的磁致伸缩性能提高到单相状态的3倍。该工作以《增强Fe-Ga合金磁致伸缩效应的时间-温度-转变非平衡相图》“Non-equilibrium time-temperature-transformation diagram for enhancing magnetostriction of Fe-Ga alloys”为题在《材料学报》（Acta Materialia ）在线发表，前沿院博士生张艺群和青年教师苟峻铭博士为论文第一作者。此外，该团队与中国工程物理研究院张昌盛研究员合作，采用原位磁化小角中子散射(SANS)技术研究了共格析出相在磁化过程中的响应，发现两相交换耦合长度大于析出相尺寸，两相间自旋过渡区先于基体磁畴而发生翻转，从而阐明了纳米异质结构产生高灵敏磁场响应的物理机制。相关论文《大磁致伸缩Fe-Ga合金纳米异质相的响应：原位磁化小角中子散射研究》(Nanoheterogeneity response in large-magnetostriction Fe-Ga alloys: an in-situ magnetic small-angle neutron scattering study)发表于《材料学报》（Acta Materialia）。

图2 大磁致伸缩Fe-Ga合金的非平衡TTT及TTP相图

为阐明氧空位对稀土氧化物强关联体系磁性和输运性质的作用机制，研究团队采用高温原位高分辨TEM技术，从原子尺度揭示了Nd0.5Sr0.5MnO3(NSMO)薄膜随氧空位浓度增加从钙钛矿(perovskite)结构到形成层错再到钙铁石(brownmillerite)结构的拓扑相变过程(图3)，并通过调节氧空位浓度实现了对薄膜结构、磁性和电阻的精确调控。该工作以《轨道有序Nd0.5Sr0.5MnO3薄膜中氧空位诱导拓扑相变的原位研究》(In-situ investigation on the oxygen vacancy-driven topotactic phase transition in charge-orbital ordered Nd0.5Sr0.5MnO3films)为题在《材料学报》（Acta Materialia）在线发表，前沿院博士生肖安冬和青年教师刘瑶副教授为论文第一作者。此外，该团队与中科院物理所胡凤霞研究员团队合作，在PMN-PT压电单晶衬底上成功制备了(110)外延NSMO薄膜，利用衬底的电致伸缩效应向NSMO薄膜传递面内各向异性应变，使薄膜在小电场下发生铁磁金属态向反铁磁绝缘态的一级相变，获得了高灵敏电致阻变效应(图4)，为发展高性能异质结自旋器件提供了重要候选。该工作以《电场灵敏调控外延多铁异质结的一级相变》（Sensitive electric field control of first-order phase transition in epitaxial multiferroic heterostructures）为题发表于《材料学报》（Acta Materialia），前沿院刘瑶副教授为第一作者。

图3 NSMO薄膜的原位等温(500℃)HR-TEM表征结果：由氧空位浓度增加诱发的拓扑相变过程

图4 (011)NSMO/PMN-PT外延异质结的原子结构、温度-电场相图、电致阻变和电控磁性

西安交通大学为上述论文的通讯单位，前沿院马天宇教授为上述论文的通讯作者。

论文1链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118580

论文2链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118548

论文3链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117594

论文4链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118616

论文5链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118145

马天宇教授课题组主页：http://gr.xjtu.edu.cn/web/matianyu/home