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铁氮化合物的高压反常物性以及新相
编辑:数理系磁性材料物性研究室 成泰民     发布时间:2019-01-12

由于铁氮化合物中γˊ-Fe4N的优异的磁性能和化学稳定性受到研究人员的广泛关注。γˊ-Fe4N具有立方结构,由于γ-Fe的面心处的6个Fe构成的8面体间隙(γ-Fe的体心处)N原子的溶入,使得面心立方的γ-Fe的晶格常数膨胀了,其空间群为

Zhang Wenxu等人研究了γ-Fe中磁矩诱导声子的工作,这引起了我们的关注。因为,在高压下γˊ-Fe4N的晶格动力角度研究声子谱稳定性及分析的工作还没有报道过。为了更加深入理解γˊ-Fe4N微观及宏观动力学性质,我们系统地研究了磁矩对γˊ-Fe4N的声子谱的影响以及压力诱导下的声子特性。

压力导致的铁磁性晶态合金的“软模相变”的实验研究很少有报道,主要原因在于:高压下非弹性中子散射实验或者拉曼散射实验测定整个布里渊区的声子谱具有困难,而且必须同时测定体系的磁性和晶体结构这就加大了实验的难度。而基于密度泛函理论的第一性原理可以计算体系在整个布里渊区上的声子谱,这为晶态物质的软模相变研究提供了计算技术。我们借鉴上述理论和计算技术处理了10GPa下的γˊ-Fe4N在M点处的声学支声子软化,发现了高压新相P2/m-Fe4N。


图1: 对于γˊ-Fe4N原胞2×2×1的扩胞后,在XY平面(即[100]-[010]平面)上按虚频对应的极化向量方向对于Fe和N原子做了移动示意图.


图2 在10GPa下,(a)沿M点的低频声子软化模式移动[100]-[010]平面上的Fe原子和N原子得到的能量演化曲线。(b)P2/m结构Fe4N晶态合金的声子谱。(c)对应的声子态密度。


图3.(a)P2/m结构的Fe4N相对于γˊ结构的Fe4N焓差随压力的变化。(b)P2/m结构的Fe4N与结构的Fe4N的磁矩随压力的变化。

此高压新相具有如下特性:

(1)压力小于1GPa时高压新相P2/m-Fe4N是热力学稳定的相,且磁矩与γˊ-Fe4N的磁矩几乎相同。因此,常压下P2/m相能够稳定的存在。2.9GPa~19GPa时,P2/m相的焓比γˊ相的焓小,基态结构更稳定。大于20GPa时,两相磁矩几乎相同。这为高压下(如10GPa)制备有序 Fe4N晶态合金时(因为P2/m相焓远小于γˊ相),容易制备出单相P2/m相,而且在常压下P2/m相的磁矩与γˊ相的磁矩几乎差不多。但新相的矫顽力及诸多磁性质没有通过VSM(振动样品磁强计)进行直接测量,这为新相P2/m的制备及物性的实验研究而言具有理论指导意义。

(2)对于磁性材料的应用而言,其饱和磁化强度与矫顽力都对应用起决定性的作用。高压下从理论上找到的P2/m相的对称性低于γˊ相,因此其磁晶各向异性能比γˊ相的Fe4N大,在晶粒尺寸相同的情况下,我们认为P2/m相矫顽力比γˊ相大。所以,我们预测P2/m相的晶态合金Fe4N具有磁存储媒质和磁头材料的潜在应用价值。

本研究得到国家自然科学面上基金(批准号:11374215)的资助,相关成果发表于Journal of Magnetism and Magnetic Materials 451 (2018) 87–95(2区,IF:3.06)


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