对GNoME发现的MnFeCo?Si?的磁性质的实验研究

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Experimental investigation of magnetic properties of MnFeCo 4Si 2 discovered by GNoME

AI驱动材料设计通过GNoME模型预测MnFeCo4Si2化合物，实验验证其菱形单相结构（空间群R3m）及软铁磁性能（居里温度1039K）。

　　

长沼修平|北川次郎

日本福冈工业大学工学部电气工程系，福冈市东区Wajiro-higashi 3-30-1，811-0295

摘要

人工智能驱动的无机材料研究因其能够减少实验所需的时间、劳动力和成本而受到了广泛关注。最近由Google DeepMind开发的AI模型GNoME尤其引人注目，因为它与Materials Project开放数据库进行了集成。对GNoME识别出的化合物进行实验验证是推进人工智能驱动材料研究的关键步骤。本文重点研究了具有层状结构的磁性化合物MnFeCo₄Si₂（材料ID：mp-3203253）。与GNoME的预测一致，MnFeCo₄Si₂结晶为单相的菱形结构。我们对其磁性质进行了表征，确定MnFeCo₄Si₂是一种软铁磁体，居里温度为1039 K。

引言

在材料研究中，传统的材料设计方法耗时且劳动强度高。然而，人工智能技术正在改变材料研究的工作流程，并有潜力减少实验的时间、劳动力和成本[1]、[2]。通过人工智能驱动的材料设计，已经发现了许多无机化合物、磁性材料、能源材料以及结构材料等[3]、[4]、[5]、[6]。最近，Google DeepMind的研究团队报告了一种基于图网络的材料探索AI模型（GNoME）[7]。GNoME利用图神经网络（GNNs）对晶体结构中的原子连接进行建模，并通过密度泛函理论计算严格评估其输出结果以评估热力学稳定性。随后，GNoME将这些结果重新纳入训练数据中。这种迭代过程提高了材料预测的可靠性。重要的是，该系统与Materials Project开放数据库相连[8]，可以方便地获取预测无机化合物的晶体结构信息。目前，已有45,608种无机化合物被预测为热力学稳定的。因此，对预测化合物进行实验验证在人工智能驱动的材料研究中是不可或缺的步骤。

我们的团队正在研究不含稀土的磁性化合物。这项研究对于缓解稀土矿石在全球分布不均的问题至关重要，因为稀土矿石常用于制造稀土永磁体。我们发现了一些新的化合物，例如掺硼的Mn基室温铁磁体以及具有巨低温度矫顽力的Co基几何挫败化合物[9]、[10]。目前，我们正在探索具有独特晶体结构的无稀土磁性化合物，例如具有几何挫败或各向异性层状结构的化合物。在Materials Project的GNoME数据库中，我们对MnFeCo₄Si₂产生了兴趣。

GNoME预测MnFeCo₄Si₂（材料ID：mp-3203253）结晶为具有空间群R$\stackrel{?}{3}$m（编号166）的菱形结构。在六方晶系中，该晶体结构具有高度各向异性，晶格参数分别为$a$ 3.95 ?和$=$ 19.36 ?（见图1(a)）。Mn、Fe和Si原子分别占据Wyckoff位置3b（0, 0, 0.5）、3a（0, 0, 0）和6c（0, 0, 0.24831）。对于Co原子，有两个6c Wyckoff位点，其原子位置分别为（0, 0, 0.37328）和（0, 0, 0.12334）。我们将位于（0, 0, 0.37328）和（0, 0, 0.12334）的Co原子分别称为Co1和Co2。如图1(b)所示，该晶体结构可以看作是沿着$c$轴的Co1–Fe–Co1–Si–Co2–Mn–Co2–Si层状结构。

在这项工作中，我们合成了MnFeCo₄Si₂并通过X射线衍射分析和金相检查验证了其存在。通过磁化测量表征了MnFeCo₄Si₂的磁性质，并将其与电子结构计算软件包得到的结果进行了比较。

材料与方法

多晶样品（约2.5克）是使用定制的弧炉制备的。所用原料包括Mn芯片（Kojundo化学实验室，纯度99.9%）、Fe芯片（Kojundo化学实验室，纯度99.9%）、Co芯片（Rare Metallic，纯度99.9%）和Si芯片（Soekawa Rikagaku，纯度99.999%）。由于Mn的挥发性，在化学计量组成之外额外添加了1.25%的Mn以补偿弧熔化过程中的重量损失。这里我们对该Mn过量比例进行说明。

结果与讨论

MnFeCo₄Si₂的XRD图谱与通过Rietveld精修程序[13]、[14]得到的拟合图谱一起展示在图2中。良好的拟合结果支持了GNoME提出的晶体结构的热力学稳定性。六方晶系中的晶格参数分别为$a$ 3.9978(3) ?和$c$ 19.583(5) ?，略大于预测值。晶粒尺寸$D$是通过Scherrer方程$D=K\lambda /\beta \cos \theta$计算的。

总结

本研究展示了通过GNoME预测的磁性化合物的实验验证案例。我们专注于六方晶系中的菱形MnFeCo₄Si₂，成功获得了具有该预测结构的单相样品。其磁性质表现为软铁磁体，磁化强度为$H_c$ 3.7 Oe，居里温度为 1039 K。饱和磁矩为11.63 ${\mu }_B$/f.u。，这一值相对较高且与理论预测一致。

CRediT作者贡献声明

长沼修平：负责研究工作。北川次郎：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、监督、数据分析及概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的研究工作。

致谢

作者感谢科学研究资助金（KAKENHI）（项目编号：24K00876）和福冈工业大学综合研究组织的支持。