固體所在體心立方FeGa單晶Zener弛豫研究方麵取得新進展

近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所內耗與固體缺陷研究部在體心立方(BCC) FeGa單晶Zener弛豫研究方麵取得新進展 。相關成果以“Tetragonal dipole dominated Zener relaxation in BCC-structured Fe-17at.% Ga single crystals”為題發表在金屬材料頂級期刊Acta Materialia (Acta Mater., 258, 119245 (2023))上 。      FeGa合金由於具有驅動磁場低 、磁致伸縮係數高 、阻尼溫域寬 、微振動響應敏感 、以及力學性能優良等特點 ，在製動器 、傳感器以及微振動抑製領域具有巨大的應用潛力 。然而 ，FeGa合金磁致伸縮和阻尼性能與Ga原子占位密切相關 ，如何鑒別和評估材料內部Ga原子占位成為目前FeGa合金研究麵臨的一個關鍵難題 。內耗技術對材料內部缺陷弛豫極為靈敏 ，因而 ，通過內耗技術有望解決評估Ga原子占位這一難題 ，並為FeGa合金磁致伸縮和阻尼性能提升提供指導。

鑒於此 ，研究團隊在成功生長大尺寸FeGa單晶的基礎上 ，製備了具有不同取向因子的FeGa二元單晶合金 。通過對比研究FeGa多晶和單晶的內耗行為 ，確定了450℃附近的弛豫峰屬於晶粒內部的Zener弛豫行為而非晶界弛豫 ；通過測量和分析不同取向FeGa單晶的內耗數據 ，發現隨著單晶取向因子的增加 ，Zener弛豫淨峰高逐漸增加（圖1） 。

研究團隊進一步對具有不同原子對構型BCC晶胞的弛豫強度進行係統分析 ，發現FeGa單晶的三方和正交構型偶極子的弛豫強度隨取向因子的增加而降低 ，僅四方偶極子的弛豫強度隨著取向因子的增加而增加 。應變張量分析及擬合結果表明 ，BCC結構FeGa單晶Zener弛豫主要來自於第二近鄰溶質原子對的貢獻 ，第一近鄰溶質原子對對Zener弛豫的貢獻僅占次要位置 。同時 ，對於Fe-17at.% Ga單晶 ，其弛豫激活能約為1.8 eV ，遠低於多晶材料中通過內耗測得的激活能（圖2） ，且該值與示蹤法測得激活能大小相當 ，表明該值更接近於實際Ga原子的擴散激活能 。此外 ，結合電子結構以及應變分析 ，闡明了Zener弛豫強度與磁致伸縮係數的正相關關係(圖3) 。

該工作明確地揭示出體心立方結構FeGa單晶Zener弛豫來主要自於第二近鄰溶質原子對 ，糾正了長期以來對BCC合金中Zener弛豫來自於第一近鄰溶質原子對的認知 ，該結論同樣適用於其他BCC固溶體合金 。同時 ，該工作表明Zener實驗可用於分析單組元或多組元合金中是否存在微區溶質短程有序 、溶質原子的有序程度 、以及溶質原子占位等 。這些分析將有助於研究材料的微觀結構和動力學信息 ，並探究彈性偶極子對材料力學和功能特性的影響 。

上述研究工作得到了國家自然科學基金 、安徽省自然科學基金 、安徽省重點研發項目及鬆山湖大科學裝置開放課題基金的資助 。

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圖1. (a) 不同取向Fe-17at.%Ga單晶的淨Zener弛豫內耗峰 ；(b)淨弛豫強度隨取向因子的變化關係 。

圖2. (a) Fe-17at.%Ga單晶的Zener弛豫激活能隨取向因子變化關係 ；(b)FeGa單晶與不同BCC結構Fe基合金Zener弛豫參數對比圖 。

圖3. FeGa合金中磁致伸縮係數和Zener弛豫強度的比較圖 。在有序和無序相區 ，磁致伸縮係數和Zener弛豫強度隨Ga含量變化具有高度一致性 。