基于第一性原理的Fe–Pd–In合金结构稳定性和磁性质研究

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：First-principles study of structural stability and magnetic properties in Fe–Pd–In alloys

研究Fe-Pd-In三元合金的Z3-Fe2Pd6结构稳定性及磁性，发现In与Pd相容性促进Z3相稳定，而与Fe不相容。计算表明In占据Pd位使晶格参数变化，导致磁各向异性能（MAE）显著提升，矫顽力较L12相增强15倍，揭示原子有序排列与宏观磁性能的关联。

　　

田手康臣（Yasutomi Tatetsu）| 松本健（Kenshi Matsumoto）| 佐藤良太（Ryota Sato）| 荘西敏晴（Toshiharu Teranishi）

日本冲绳县名护市Biimata 1220-1，梅奥大学（Meio University）人类健康科学学院，邮编905-8585

摘要

在本研究中，我们探讨了基于Fe_?Pd的三元合金的结构稳定性和磁性质。我们采用第一性原理计算方法分析了In替代后Z₃Fe₂Pd₆结构的稳定性，并评估了Z₃Fe₂Pd₅In₁的磁各向异性能（MAE）。这种结构变化归因于In与Pd的独特互溶性和与Fe的不互溶性，这种互溶性稳定了Z₃相。此外，与L₁₂FePd₃相相比，Z₃Fe₂Pd₅In₁表现出更高的磁矫顽力，这突显了通过控制原子排列和元素间相互作用来设计新型功能材料的潜力。我们的研究结果还表明，磁各向异性能对晶格参数非常敏感：理想结构表现出面内各向异性，但在a轴上施加较小的压缩应变可以诱导出单轴各向异性，这为实验观察到的矫顽力提供了合理的解释。这些见解加深了我们对原子尺度结构变化与宏观磁性质之间关系的理解，为先进磁性材料的发展提供了宝贵的指导。

引言

晶体结构的操控是开发具有特定物理性质的新材料的关键[1]。通过精确控制压力、热量、磁场和电场等因素，或者引入特定元素，可以诱导结构转变，从而产生或改变所需的特性，尤其是在磁性领域。例如，通过薄膜工程可以稳定具有铁磁性的钌（Ru）亚稳态相，这与块状Ru的非磁性六方密排（hcp）基态形成对比[2],[3]。类似地，向Nd₂Fe₁₇中添加硼（B）会改变其晶体结构，形成Nd₂Fe₁₄B[5],[6],[7]，并增强其磁各向异性[8],[9]。此外，由于Fe_?N强相互作用的作用，氮（N）的引入稳定了L₁₀FeNi结构，从而显著提高了矫顽力[10]。这些例子强调了结构改变化对磁行为的深远影响。最近，我们通过向Fe_?Pd合金中引入少量铟（In），成功合成了新型三元合金Z₃Fe_?Pd_?In[11]。这一发现克服了铁（Fe）和In通常不互溶的预期难题（而在Fe_?Pd和In_?Pd对中它们是互溶的[12],[13],[14]）。所得到的Z₃相具有四方结构，并且由于In与钯（Pd）的独特互溶性而稳定，形成了沿c轴交替堆叠的L₁₀-PdFePd三层结构和Pd_?In有序合金单层。实验表征（包括X射线衍射（XRD）和能量色散X射线光谱（EDX）映射）证实了这一新相的形成，并表明In原子优先占据远离Fe的Pd位点。值得注意的是，这种新的Z₃Fe_?Pd_?In化合物的磁矫顽力显著增强，大约是L₁₂相的15倍，后者由于其各向同性的立方结构而几乎没有矫顽力。

在本研究中，我们利用基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算方法来研究Z₃Fe_?Pd_?In系统的原子排列、稳定性和磁性质。具体来说，我们旨在阐明In在Z₃结构中的优选原子位置，并评估磁各向异性能（MAE），这对于理解观察到的矫顽力增强现象至关重要。

计算方法

计算方法

为了分析掺In的Fe_?Pd三元合金的磁性质，我们在DFT框架内对Z₃Fe_?Pd_X（其中X代表Cd、Hg、In、Tl和Pb）系统进行了第一性原理计算。这些计算使用了基于优化赝势和赝原子轨道基函数的OpenMX软件包[15]。交换-相关能采用Perdew–Burke–Ernzerhof泛函近似方法进行处理。

Z₃Fe_?Pd_?In系统中的元素互溶性

图1展示了本研究中研究的晶体结构。我们首先研究了（a）实验已知的稳定基态L₁₂FePd₃结构。相比之下，（b）原始的Z₃Fe₂Pd₆结构是一个亚稳态相。随后，我们的研究集中在In原子替代位于（c）i位点和（d）d位点的Z₃结构上。图1(e)示意性地说明了组成元素之间的互溶性关系，这是理解

结论

在本研究中，我们利用第一性原理计算方法研究了基于Fe_?Pd的三元合金的结构稳定性和磁性质。结果表明，In的替代显著影响了Z₃Fe₂Pd₆结构的稳定性，尤其是在d位点，这是由于In与Pd的互溶性和与Fe的不互溶性。我们的形成能计算表明，其他元素（如X）也可能有效稳定这一相，为

作者贡献声明

田手康臣：撰写 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、可视化、验证、监督、项目管理、方法论、研究、资金获取、形式分析、数据管理、概念构思。松本健：撰写 – 审稿与编辑、研究、资金获取、形式分析、数据管理。佐藤良太：撰写 – 审稿与编辑、研究、资金获取、形式分析、数据管理。藏西敏晴：撰写 – 审稿与

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

第一性原理计算部分是在东京大学ISSP的超级计算机上完成的。本研究得到了JST-CREST（项目编号：JPMJCR21B4，T. T.）、MEXT/日本学术振兴会（JSPS）科学研究基金（KAKENHI for Scientific Research (S)（项目编号：JP24H00053，T. T.）、科学研究基金（B）（项目编号：JP18H01953、23K26627，R. S.）、科学研究基金（C）（项目编号：JP21K04630，Y. T.）以及JSPS研究奖学金（项目编号：JP18J15062，K. M.）的支持。