前沿合作丨岛津携手大连理工揭示CoCrFeNi基高熵软磁薄膜优异磁性奥秘

2024-01-11 20:40:17, 分析中心 岛津企业管理(中国)有限公司/岛津(香港)有限公司


导读

软磁薄膜作为一种新型软磁性材料,具有低磁损耗、高截止频率和高磁导率的独特优势。研究人员发现软磁高熵合金薄膜(HEATFs)表现出比其他软磁薄膜更好的电阻率、热稳定性、耐腐蚀性和坚固的力学性能,有望拓宽现有软磁薄膜的组成范围。然而,由于配位数、晶格常数(特别是在垂直于表面的方向上)和价电子(3d, 4s)分布的差异,大量的块状软磁高熵合金的理论推导结果不能直接应用于HEATFs;此外,在制造过程中产生的残余应力影响其磁性能。因此,需要详细的研究来揭示HEATFs的磁性。

近期,大连理工大学李晓娜教授团队发现本征氧化条件下的CoCrFeNi基高熵薄膜,O会进入柱状晶间隙,自然形成一种壳核结构,即铁磁性Fe、Co、Ni富集在柱状晶内部作为核心,Cr氧化物包覆在柱状晶晶界处作为壳层。这种特殊的圆柱状纳米壳核结构,不仅能够提升薄膜的软磁性能,而且还能兼顾高电阻率,其自发形成的特点为高熵软磁薄膜的设计提供了新思路。该研究成果发表在国际知名期刊《Advanced Science》(IF=15.1)上。岛津上海分析中心刘仁威博士作为共同作者,采用岛津扫描探针显微镜SPM-9700HT的磁力模式完成了CoCrFeNi基纳米晶高熵薄膜的磁畴结构测试。

图1 文章首页

研究成果掠影

软磁材料易于磁化,也易于退磁,具有低矫顽力和高磁导率的特点,广泛用于变压器、交流发电机、继电器等电工、电子设备中。

岛津SPM,您的科研好助手

此研究对CoCrFeNi基软磁高熵合金薄膜(HEATFs)的磁性能来源进行了系统分析,岛津SPM技术为该HEATFs样品的磁畴分布情况提供了一种表征手段。此外,岛津SPM还具有电流、电势、力学以及纳米力学测量等功能,以满足不同研究学者们的多种测试需求。

图2 岛津扫描探针显微镜SPM-9700HT

CoCrFeNi基高熵薄膜的磁畴表征

图3 样品图片

CoCrFeNi基软磁高熵合金薄膜的磁性能随厚度和成分有很大变化,为了探究深层次的原因,研究人员采用岛津扫描探针显微镜SPM-9700HT的磁力模式对薄膜样品的磁畴进行了表征,发现其呈现典型的迷宫状磁畴。这一方法直观地反映了薄膜厚度及成分对磁畴大小的影响。

图4 室温下CoCrFeNi基高熵薄膜的磁畴结构

如图4所示,薄膜呈现圆形或拉长的迷宫状磁畴,主要原因是静磁能的减少以及总布洛赫壁面积的增加,这与薄膜具有的垂直各向异性相关。薄膜磁畴的尺寸要远远大于平均晶粒尺寸,这说明薄膜中许多相邻的晶粒其磁化方向在一个方向上一致排列。对于AlxCoCrFeNi薄膜(x=0.1-0.5),具有相似的磁畴尺寸,其矫顽力与磁各向异性能和饱和磁化强度的比值(EA/MS)正相关,进一步证实了薄膜磁各向异性对磁性能的影响。而CoCrFeNithick薄膜与其EA/MS值有所偏离,这是因为其磁畴尺寸明显小于含Al薄膜。因此,通过SPM磁畴测试,确定了CoCrFeNi基高熵薄膜的矫顽力主要与复杂磁各向异性和磁畴尺寸有关。

客户心声

文章的第一作者张君仪表示:“在磁性能研究中,磁畴很大程度上影响着材料的磁性能。然而,微观磁畴的表征是非常困难的,但是在岛津分析中心刘仁威博士的帮助下,采用岛津SPM-9700HT可以非常快捷简便地完成这一测试。我们可以从图像中清晰地发现薄膜呈现典型迷宫状磁畴,并可以十分简便地测定磁畴的大小。该表征方法为我们后续分析其矫顽力影响因素奠定了坚实的基础。特别感谢刘仁威博士和岛津分析中心,希望在后续的合作中能够进一步拓展应用研究,取得更好的实验成果。”

撰稿人:郑瑞、刘仁威

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