Cu和Ag的光间隙掺杂对Fe85Ga15薄膜的结构、磁性和磁动力学性质的影响

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Effects of light interstitial doping of Cu and Ag on the structural, magnetic and magneto-dynamics properties of Fe 85Ga 15 films

本研究通过在Fe85Ga15薄膜中掺杂铜（CFG）和银（AFG），系统考察了掺杂对结构、磁性和磁动力学特性的影响。结构分析表明掺杂以间隙机制为主，晶格常数未显著变化。磁性测试显示CFG和AFG的饱和磁化强度增强，AFG的矫顽力比达0.96，居里温度提升超过50°C。磁阻尼参数降低，各向异性和非均匀展宽减少，证实了晶格修饰对磁性能的改善作用。

　　这项研究聚焦于在Fe₈₅Ga₁₅（FG）薄膜中引入铜（CFG）和银（AFG）作为掺杂元素，对材料的结构、磁性和磁动力学特性进行系统分析。FeGa作为一种重要的磁致伸缩材料，因其优异的磁软特性、高磁致伸缩系数、高强度以及高居里温度而受到广泛关注。特别是在微波应用和应变调控的磁电（ME）设备领域，FeGa的高压磁系数、低饱和磁场和低高频损耗使其成为极具潜力的候选材料。随着研究趋势向更加经济和环保的材料方向发展，基于铁的合金如FeGa、FeNi和FeCo等在自旋电子学和磁致伸缩应用中显得尤为重要。

FeGa在元素铁的基础上掺杂了镓，其磁致伸缩性能表现出显著的变化。研究表明，当镓的浓度达到19 at.%和27 at.%时，FeGa的磁致伸缩系数分别达到峰值。其中，19 at.%的Ga浓度对应着更高的磁致伸缩系数，而27 at.%的Ga浓度则显示出更稳定的性能。这种性能的变化被认为与晶格软化有关，即镓的掺杂会破坏铁原子之间的键合，从而增强磁弹性能量。然而，当Ga的浓度超过15 at.%时，会形成有序的D0₃相，该相中的Ga与Ga配对导致磁弹性能量的增长趋势出现下降，因此磁致伸缩系数在19 at.%时达到最大值。

近年来，研究人员尝试通过引入轻元素（如铝、硼、氮）或稀土元素（如铽、铒、钐、镝）以及高原子序数元素（如铂、钇）来优化FeGa的磁致伸缩性能。这些元素的添加不仅能够提升磁致伸缩系数，还能够改善材料的软磁特性。特别是铜和银，它们作为轻元素被用于FeGa的掺杂研究，被认为能够显著增强磁致伸缩性能并调控磁性行为。例如，Hui Wang和Ruqian Wu的理论研究表明，当Ga被1.6%的铜或银替代时，FeGa的磁致伸缩性能将得到显著提升。随后，有实验团队尝试在块状FeGa中添加2%的银，结果也验证了这一理论预测。此外，V.A. Milyutin等研究人员通过对Fe₃Ga_0.7Cu_0.3的磁致伸缩研究，进一步支持了铜对FeGa磁性行为的调节作用。

然而，大多数研究主要关注FeGa的磁致伸缩性能和软磁特性，较少涉及磁动力学特性以及磁序稳定性随温度的变化情况。磁性特性受到Fe-Fe交换相互作用强度的直接影响，而掺杂其他元素必然会对这种交换相互作用产生影响，从而改变诸如磁饱和、磁转变温度、磁各向异性、不均匀展宽以及磁化阻尼等关键磁性参数。因此，深入研究第三元素对FeGa磁序和磁性的影响具有重要意义。此外，现有研究多集中在块状材料上，而针对薄膜的研究则相对较少，因此本研究选择以薄膜为研究对象，进一步探讨掺杂对磁性能的调控作用。

本研究采用磁控溅射技术，在FeGa薄膜中掺杂了1.5%（±0.2%）的铜和银。实验过程中，将5 mm直径的铜和银小片放置在溅射靶上，以实现元素的掺杂。通过X射线衍射（XRD）分析，研究团队发现FG、CFG和AFG三种体系均呈现出A2型无序体心立方（BCC）结构，并且在（110）和（200）反射峰的计算中，晶格常数几乎没有变化。这一现象表明，铜和银的掺杂主要以间隙形式发生，即它们并未替代Ga原子，而是填充到Fe原子之间的间隙位置，从而导致晶格结构的微小变化，但不改变整体晶格参数。这种间隙掺杂机制在磁致伸缩材料中较为常见，能够有效调控磁性行为而不显著影响晶格结构。

通过磁化与磁场（MH）曲线的分析，研究团队发现CFG和AFG体系的磁饱和值（M_s）均有所提升。特别是AFG体系表现出显著的改善，其平方比（即磁化曲线的矩形度）达到了0.96，显示出更优异的磁性特性。相比之下，CFG体系的平方比保持在接近原始值的水平。这表明，银的掺杂对磁饱和和磁化曲线的矩形度具有更大的促进作用，而铜的掺杂则主要影响磁饱和值，对磁化曲线的形状影响较小。此外，磁化与温度（MT）曲线的分析显示，CFG和AFG体系的磁转变温度（T_c）相比原始FG体系提高了超过50°C。这一结果进一步验证了掺杂元素对磁序稳定性的影响，表明铜和银的引入有助于提升材料的热稳定性。

磁动力学特性方面，研究团队利用矢量网络分析仪（VNA）进行铁磁共振（FMR）实验，发现FG体系的有效阻尼参数较低，而CFG和AFG体系的阻尼参数略有增加。这表明，掺杂铜和银在一定程度上影响了磁化过程中的能量耗散，可能与晶格结构的变化以及磁各向异性有关。同时，磁各向异性和不均匀展宽在CFG和AFG体系中均显著降低，说明掺杂元素的引入有助于改善材料的磁性均匀性，减少磁化过程中的非均匀性影响。

本研究的发现对于磁致伸缩材料的应用具有重要意义。首先，铜和银的间隙掺杂机制能够有效调控FeGa的磁性能，而不会显著改变其晶格结构，这为设计具有可控磁性能的材料提供了新的思路。其次，磁饱和值和磁转变温度的提升表明，掺杂元素能够增强材料的磁性和热稳定性，这对于需要在高温环境下工作的磁电设备具有重要价值。此外，磁各向异性和不均匀展宽的降低意味着磁化过程更加均匀，有助于提高材料的磁响应效率和稳定性。

从应用角度来看，磁致伸缩材料在微波器件、传感器、执行器以及磁电耦合设备等领域具有广泛的应用前景。例如，在微波应用中，磁致伸缩材料的磁性能和磁动力学特性直接影响其在高频下的表现。而本研究中所提到的磁饱和值、磁转变温度、磁各向异性和阻尼参数的变化，都可能对材料的实际应用产生重要影响。特别是在需要高温稳定性的场景下，CFG和AFG体系的性能提升将使其成为更具吸引力的候选材料。

此外，本研究还强调了应变效应在磁致伸缩材料中的重要性。由于薄膜材料通常存在与基底之间的晶格失配，这种失配会导致内部应变的产生，进而影响磁性能。因此，研究薄膜材料中掺杂元素对磁序和磁性能的影响，不仅有助于理解材料的基本物理机制，还能够为优化其性能提供理论支持。特别是通过调控掺杂元素的浓度和类型，可以实现对磁性能的精细控制，从而满足不同应用场景的需求。

综上所述，这项研究通过系统分析Fe₈₅Ga₁₅薄膜在掺杂铜和银后的结构、磁性和磁动力学特性，揭示了间隙掺杂机制对磁性能的调控作用。研究结果表明，铜和银的掺杂能够有效提升磁饱和值和磁转变温度，同时降低磁各向异性和不均匀展宽，从而改善材料的磁性均匀性和稳定性。这些发现不仅丰富了FeGa磁致伸缩材料的研究内容，也为未来开发高性能、环保型磁电材料提供了重要的理论依据和技术支持。