采用多种技术观察铁镓合金中的磁畴

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Magnetic domain observations in Fe Ga alloys using multiple techniques

　　

摘要

磁致伸缩 FeGa 合金中的磁畴现象尚未被完全理解。在本文中，我们报告了使用多种互补实验技术观察 FeGa 合金中磁畴的结果，以解决关于具有锯齿状边界的特殊蜂窝状磁畴结构存在的科学争议。首先，使用毕赤法在单晶块状样品的 (001) 表面上观察到了具有锯齿状边界的蜂窝状磁畴。接下来，通过磁光克尔显微镜确定了这些蜂窝状磁畴的磁化方向。最后，从同一表面区域制备了一个自由支撑的薄箔样品，使用洛伦兹显微镜和电子全息术检查磁畴边界和磁化分布的细节。结果揭示了蜂窝状磁畴的真实结构，并为 FeGa 合金中的磁畴和畴壁提供了全面的见解，对其他类似铁磁性材料具有更广泛的启示意义。

引言

FeGa 合金（Galfenol），除了表现出非凡的磁致伸缩性 [1], [2] 外，由于富含 Fe 基元素，是无稀土、具有成本效益且可持续的，提供卓越的性能（良好的延展性和可加工性）[3], [4]，磁性能（低驱动场和小磁滞）[5]，热稳定性（在宽温度范围内工作）[6], [7]，并且在压缩和拉伸下都能表现良好 [8], [9]。由于这些诱人特性的独特组合，FeGa 合金作为一种突出的磁弹性材料脱颖而出，与其他当前领先的功能材料（例如磁致伸缩 Terfenol-D [10]、压电 PZT [11] 和磁形状记忆 Ni-Mn-Ga [12]）相比具有许多优势。最近的一份报告 [13] 提到了一种名为非朱利安磁性（non-Joulian magnetism）的新型磁弹性行为及其在 FeGa 中潜在的特征为锯齿状边界的自适应蜂窝状磁畴，进一步激发了人们对该磁弹性合金系统的兴趣。随后，在 Ga 浓度范围从 15 at.% 到 26 at.% 的 FeGa 合金中，在慢冷和淬火条件下，以及单晶和多晶形式中观察到了这种蜂窝状磁畴 [13], [14], [15], [16]。然而，对于蜂窝状磁畴结构存在两种相互矛盾的解释（图 1），造成了科学争议。本文报告了使用多种互补实验技术观察磁畴的结果，即毕赤成像、磁光克尔效应（MOKE）显微镜、洛伦兹显微镜和电子全息术，以提供关于磁畴的全面信息并验证 FeGa 合金中蜂窝状磁畴的真实结构。

章节摘要

实验程序

磁畴观察是在 Ames 实验室制备的淬火 Fe-18.07 at.% Ga 单晶样品上进行的。样品尺寸约为 3 × 2 × 2 mm³。其中一个 3 × 2 mm² 的面被嵌入环氧树脂中并抛光至 0.04 μm 胶体二氧化硅（详细程序见 [17]）；此后该面被称为 (001) 表面。采用毕赤成像和克尔显微镜来观察该抛光表面上的磁畴。对于毕赤成像，一

结果与讨论

图 2 显示了观察到的蜂窝状磁畴，它们形成了一种由矩形单元组成的平行链的分级周期结构。这些单元具有锯齿状边界和中线，在图 3(d) 中进行了放大，并在图 1 中示意性地说明。

目前，对于 FeGa 中的蜂窝状磁畴结构存在两种相互矛盾的解释，如图 1 所示。一种解释 [13], [14] 基于最近展示的 Chopra-Wuttig 模型

结论

结合互补技术，包括光学显微镜（毕赤成像和 MOKE）和透射电子显微镜（洛伦兹显微镜和电子全息术），用于系统分析磁致伸缩 FeGa 合金中的磁畴。结果与立方对称铁磁合金的经典磁畴理论一致，但与最近提出的基于电荷密度波模型相矛盾。本研究解决了关于

CRediT 作者贡献声明

Takehiro Tamaoka: 可视化，验证，调查，形式分析，数据管理。Yuto Tomita: 可视化，调查，数据管理。Mitsunari Auchi: 可视化，调查，数据管理。Yasukazu Murakami: 写作 - 审查与编辑，监督，项目管理，方法论，调查，资金获取，概念化。Nobuhisa Ono: 可视化，调查，数据管理。Masatoshi Hatayama: 可视化，调查，数据管理。Satoshi

竞争利益声明

作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本论文报告的工作。

致谢

作者感谢东北大学的 Y. Endo 教授对 MOKE 显微镜工作的支持。衷心感谢日本财政年度 2022 年 JSPS 邀请日本研究奖学金（ID 号 L22503，Y.M. 和 Y.M.J.）以及美国国家科学基金会（拨款号 CMMI-2212324，Y.M.J.）的支持。本研究部分得到了日本教育文化体育科学技术省“日本材料与纳米技术高级研究基础设施”计划的支持

Takehiro Tamaoka|Yuto Tomita|Mitsunari Auchi|Yasukazu Murakami|Nobuhisa Ono|Masatoshi Hatayama|Satoshi Okamoto|Yu U. Wang|Yongmei M. Jin

日本 819-0395 福冈，九州大学超显微研究中心