通过合金化调控 Fe$_{3}$Sn 的磁晶各向异性

本文通过第一性原理计算和实验研究了六方铁磁 Fe$_{3}$Sn 基合金的电子结构、磁性和相形成。已知原始 Fe$_{3}$Sn 化合物满足作为良好永磁体的所有要求，但磁晶各向异性能（MAE）除外。后者数值很大，但呈平面型，即易磁化轴不沿六方 c 方向，而良好的永磁体要求 MAE 为单轴各向异性。在此我们考虑 Fe$_{3}$Sn$_{0.75}$M$_{0.25}$，其中 M= Si, P, Ga, Ge, As, Se, In, Sb, Te 和 Bi，并展示了 Sn 亚晶格上的不同掺杂剂如何影响 MAE，并能将其从平面型转变为单轴型。通过计算形成焓，在理论上阐明了掺杂 Fe$_{3}$Sn 相的稳定性。建立了一个微磁学模型，以估算由理论研究中最具潜力的候选物 Fe$_{3}$Sn$_{0.75}$Sb$_{0.25}$ 制成的潜在磁体的磁能积 (BH)max 和矫顽场 $\mu_{0}$H$_{c}$。通过使用反应坩埚熔炼技术以及固相反应合成的样品，在实验上验证了掺 Sb 和 Mn 的 Fe$_{3}$Sn 化合物的相稳定性和磁性。发现 Fe$_{3}$Sn-Sb 化合物在与 Mn 合金化时是稳定的。结果表明，即使是微小的结构变化，例如 c/a 比或体积的变化（可由例如与 Mn 合金化引起），也能影响各向异性并使其在平面型与单轴型之间来回反转。