探寻无稀土硬磁单硼化物：基于第一性原理的MnB与FeB合金磁性能研究

研究人员针对稀土永磁材料价格波动大、供应受限的问题，通过第一性原理计算系统研究了CrB-CoB系列单硼化物及其过渡金属合金的磁性能。发现FeB合金(Fe11 X1 B12 )在掺杂Sc/Ti/V等元素时磁硬度(κ)超过1，其中Mn/Cr掺杂既能提升磁各向异性能(MAE)又能保持较高居里温度(TC )，为开发无稀土永磁材料提供了新思路。

　　

在永磁材料领域，稀土元素如钕、钐等一直是制造高性能磁体的关键成分。然而近年来稀土价格的剧烈波动和地缘政治因素导致的供应链不稳定，使得开发不含或少含稀土的新型硬磁材料成为紧迫课题。与此同时，传统永磁材料面临的挑战不仅在于成本，还包括对极端环境适应性的需求——现代电机、风力发电机和医疗设备等应用场景往往要求材料在高温下仍能保持优异的磁性能。

正是在这样的背景下，研究人员将目光投向了过渡金属单硼化物这一颇具潜力的材料体系。早前的实验意外发现，正交晶系的FeB单晶展现出0.83的磁硬度值(κ)，接近硬磁材料标准(κ≥1)，这一现象与传统认知中单硼化物属于软磁材料的观点形成了鲜明对比。更引人注目的是，MnB和FeB不仅具有较高的饱和磁化强度(分别达到1.9μ_B
/f.u.和1.1μ_B
/f.u.)，其居里温度也分别达到568K和590K，完全满足实际应用的温度要求。这些特性暗示着通过适当的成分设计和微观结构调控，单硼化物可能突破现有性能瓶颈，成为稀土永磁材料的替代选择。

为系统探索这一可能性，国外研究团队在《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》发表了关于单硼化物磁性能的全面研究。该工作采用第一性原理计算方法，重点考察了从CrB到CoB的完整单硼化物体系，特别关注MnB和FeB与3d、4d、5d过渡金属形成的合金。研究通过虚拟晶体近似(VCA)和超胞模型两种方法计算磁晶各向异性能(MAE)，并结合固定自旋矩(FSM)技术分析磁矩与MAE的关联性，最后通过平均场理论估算居里温度。

关键技术方法包括：1)采用FPLO18代码进行全相对论密度泛函理论(DFT)计算；2)使用虚拟晶体近似处理固溶体成分梯度；3)构建Mn₁₁
X₁
B₁₂
和Fe₁₁
X₁
B₁₂
超胞模型评估掺杂效应；4)应用固定自旋矩方法研究磁矩与MAE的依赖关系；5)基于无序局域矩(DLM)和相干势近似(CPA)计算居里温度。

在"3.1 (Cr-Mn)B、(Mn-Fe)B和(Fe-Co)B合金的虚拟晶体近似研究"部分，研究揭示了单硼化物体系的成分-性能关系。通过虚拟晶体近似计算发现，Mn_0.55
Fe_0.45
B和Mn_0.15
Fe_0.85
B分别具有0.83和0.95的磁硬度，而Fe_0.5
Co_0.5
B的MAE高达2.87 MJ/m³
，对应κ=5.1。轨道磁矩分析显示，MnB中Mn的轨道磁矩为0.023μ_B
，而Fe_0.5
Co_0.5
B中Co达到0.047μ_B
，印证了Bruno公式预测的轨道矩与MAE的关联性。

"3.2 (Fe-Co)B合金的超胞方法研究"则对VCA结果进行了修正。超胞计算显示实际MAE值比VCA预测低约7倍，Fe_0.25
Co_0.75
B的MAE峰值为0.4 MJ/m³
，κ≈4。虽然证实了硬磁特性，但这类合金的T_C
<300K且需要高Co含量，实际应用受限。

"3.3 FeB的固定自旋矩研究"阐明了磁矩与MAE的内在联系。研究发现FeB的MAE对磁矩变化高度敏感，在1.57μ_B
/f.u.时MAE可达0.85 MJ/m³
(κ=1.1)，这为通过成分调控优化性能提供了理论依据。

最重要的发现出现在"3.4