中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
近日，悉尼大學(xué)鄭榮坤副教授（通訊作者）和第一作者陳翰笙博士與團隊成員使用背散射衍射技術(shù)、原子尺度三維原子探針技術(shù)、以實(shí)驗結果為模擬參數擬合基礎的微磁學(xué)模擬技術(shù)報道了在燒結釹鐵硼中由于在納米尺度下成分不均勻的晶所導致的矯頑力進(jìn)一步減低，并對晶粒邊界成分和矯頑力進(jìn)行了三維定量分析。研究表明在燒結釹鐵硼中的晶粒邊界中鐵磁性元素（鐵和鈷）在70 nm的范圍內從67 at．％減少至10 at．％。這種成分不均勻的晶粒邊界附近產(chǎn)生反向磁疇所需要的形核場(chǎng)比含有同等鐵磁性元素含量的均勻的晶粒邊界產(chǎn)生反向磁疇所需要的形核場(chǎng)小27％。該成果不僅對工業(yè)生產(chǎn)，諸如納米尺度下控制晶粒邊界成分結構，具有指導意義， 同時(shí)本文所采用的分析方法也可以應用在其他磁性材料的成分與磁性性能的關(guān)系研究上。該研究成果以“Coercivity degradation caused by inhomogeneous grain boundaries in sintered Nd－Fe－B permanent magnets”為題刊登出版在Physical Review Materials上。
【圖文導讀】
圖1：燒結釹鐵硼在不同溫度 （280、300、320、340和360 K）下的磁滯回線(xiàn)。
圖2：燒結釹鐵硼在微米尺度下的顯微結構。
（a） 二次電子圖；
（b） 背散射電子圖；
（c） 標定的不同相的相圖（2：14：1主相用紅色標定，富稀土相用藍色標定，白色為未標定區域，黑色線(xiàn)條畫(huà)出了大角晶界）。
比例尺為20 微米
圖3：不均勻晶界在原子尺度下的三維原子探針結果，分別顯示了鐵、釹、鐠、硼、鈷、銅、鎵和鋁的在主相晶粒（MG1和MG2）和晶界（GB）下的分布。
邊界尺度為 ～70 nm × ～70 nm × ～190 nm
圖4：不均勻晶界在原子尺度下的三維原子探針結果的定量分析。發(fā)現燒結釹鐵硼中的不均勻晶界中鐵磁性元素（鐵和鈷）在70 nm的范圍內從67 at．％減少至10 at．％。
（a） 鐵原子的三維分布以及鐵的等含量曲面 （74．8 at．％）；
（b） 在紅色和藍色立方體中沿箭頭方向的鐵、釹、鐠的成分變化分布；
（c） 在綠色立方體中沿箭頭方向的鐵、釹、鐠和鈷的成分變化分布。
邊界尺度為 ～70 nm × ～70 nm × ～190 nm
補充材料圖2：用于進(jìn)行模擬的微磁學(xué)模型。
（a） 釹鐵硼三明治模型（主相晶粒1—10 nm寬的晶界—主相晶粒2）的示意圖，尺寸為 100 nm × 100 nm × 100 nm；
（b） 基于三維原子探針的不均勻晶界的成分變化示意圖（x－z 平面），尺寸為100 nm × 100 nm。
圖5：根據三維原子探針結果進(jìn)行的微磁學(xué)模擬實(shí)驗。發(fā)現這種成分不均勻的晶粒邊界（粉色曲線(xiàn)）附近產(chǎn)生反向磁疇所需要的形核場(chǎng)比含有同等鐵磁性元素含量的均勻的晶粒邊界（藍色曲線(xiàn)）產(chǎn)生反向磁疇所需要的形核場(chǎng)小27％。
（a） 基于釹鐵硼三明治模型（主相晶粒1—10 nm寬的晶界—主相晶粒2）的微磁學(xué)模擬的退磁曲線(xiàn)，綠色、藍色、粉色和黃色曲線(xiàn)分別代表晶界鐵磁性元素成分為0、40 at．％、38．7 at．％（不均勻）和67 at％；
（b） 在退磁情況下，晶界鐵磁性元素成分為0的三明治模型的磁矩翻轉情況（愿意從邊界開(kāi)始形成反向磁疇）；
（c） 在退磁情況下，晶界鐵磁性元素成分為67 at％的三明治模型的磁矩翻轉情況（愿意從晶界和主相晶粒的交界面開(kāi)始形成反向磁疇）。
（d） 在退磁情況下，晶界鐵磁性元素成分為38．7 at．％（不均勻）的三明治模型的磁矩翻轉情況（愿意從鐵磁性元素含量較高的晶界區域和主相晶粒的交界面開(kāi)始形成反向磁疇）。
圖6：對均勻晶界和不均勻晶界模擬的磁化強度、交換場(chǎng)、磁晶各向異性場(chǎng)、退磁場(chǎng)。發(fā)現在退磁過(guò)程中，反向磁疇更容易從低磁晶各向異性場(chǎng)、高交換場(chǎng)和高退磁場(chǎng)的區域產(chǎn)生。
（a） 晶界為40 at．％ Fe（均勻）的三明治模型模擬的磁化強度、交換場(chǎng)、磁晶各向異性場(chǎng)、退磁場(chǎng)；
磁化強度、交換場(chǎng)、磁晶各向異性場(chǎng)、退磁場(chǎng)的范圍分別是1．17 × 106， 2．29 × 104， 5．51 × 106和 3．35 × 105 A／m
（b） 晶界為38．7 at．％（不均勻）的三明治模型模擬的磁化強度、交換場(chǎng)、磁晶各向異性場(chǎng)、退磁場(chǎng)。
磁化強度、交換場(chǎng)、磁晶各向異性場(chǎng)、退磁場(chǎng)的范圍分別是1．31 × 106， 2．15 × 104， 5．51 × 106和 1．59 × 106 A／m
