合金化元素对铁基非晶合金磁性影响的理论模型

1960年，随着金硅合金的金属液体以冷却速率106 K/s快速冷却，金属玻璃被*合成。随后，大量不同合金体系以玻璃态形式被合成出来。但是，由于这些合金成分形成玻璃态的冷却速率为105~106 K/s数量级，所以，这些玻璃态以薄带（厚度为20~30 μm）、粉末和金属丝形式制成。近年来，随着技术发展，金属玻璃向大尺寸方向合成，即块体非晶合金。由于非晶态不存在磁各向异性和晶界，铁基非晶合金具有低矫顽力、高磁导率和低损耗等优良的软磁性能，它以独特的结构、良好的力学性能和磁性引起材料科学工程界的广泛关注。这类磁性材料在发动机、动力推进、电磁铁、传感器和数据存储器件等现代工业领域有着越来越重要的作用。为了提高非晶合金的饱和磁感应强度BS以及降低矫顽力HC，传统的实验方法倾向于采用经验方法，利用不同元素配比制成合金熔体，测定磁滞回线，以确定合金体系BS。然而，如何采用一种缩短研制周期，降低研制成本的有效方法探究非晶合金的磁性、微观结构、原子团簇分布及其内部联系，成为制约块体非晶合金研制的关键瓶颈之一。

*近，安泰科技股份有限公司与北京计算科学研究中心、安泰创明新能源材料（常州）研究院有限公司等单位合作，基于*性原理计算探索了Fe77X5Si4B10P4（X=V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni）磁性的电子结构及局域原子结构起源。研究发现，合金化元素将引起局域磁环境的两方面变化：1）合金元素的价电子数决定了局域磁环境的铁磁或反铁磁特性，进而诱发2）近邻铁元素*磁矩的涨落。两者之间的竞争是影响其宏观磁性的关键因素，合理利用该竞争关系模型，可以有效地调控Fe基非晶合金的磁性能，有望实现以计算模拟与机器学习为手段的软磁非晶合金成分设计，助力材料基因组工程在非晶合金领域的应用。

基于*性原理计算的电子结构理论分析，发现从V到Ni，随着价电子数增加，原子在非晶体系中失电子能力逐渐减弱，得电子能力逐渐增强。对于V、Cr和Mn非磁性原子而言，由于它们与Fe 3d态强烈的轨道杂化作用，它们都表现出反铁磁特性，*近邻Fe原子磁矩比Fe82Si4B10P4中相应Fe原子磁矩降低。对于Co和Ni磁性原子而言，局域原子磁矩降低，而*近邻Fe原子磁矩会比Fe82Si4B10P4中相应Fe原子磁矩升高，这些导致了过渡金属原子加入降低Fe82Si4B10P4的BS。基于这一竞争关系，理论上可以通过加入少量Co元素，提高Fe82Si4B10P4非晶合金的总磁矩和BS，与相关实验结果吻合。该模型可以有效地理解Fe基软磁非晶合金磁性能的电子结构起源，为设计开发新型铁基非晶合金软磁材料提供理论指导，有望为材料基因组工程在非晶合金材料领域的展开提供理论基础。

相关研究成果近日发表于Journal of Alloys and Compounds（J. Alloy. Compd. 153062, 2019），*作者为陈卉博士，通讯作者为周少雄教授、刘天琦研究员和管鹏飞研究员。这项工作得到了国家重点研发计划项目2017YFB0903903和2016YFB0300500、国家自然科学基金委-中物院联合基金U1930402以及北京计算科学研究中心（CSRC）的支持。

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