The effect of soft phase on magnetic properties and magnetization reversal process of Nd-Fe-B based multilayers

Permanente magneten zijn de stille werkpaarden van de moderne technologie, te vinden in alles van de motoren die elektrische auto's aandrijven tot de piepkleine luidsprekers in onze koptelefoons. Decennialang zijn de sterkste beschikbare magneten gemaakt van een specifieke combinatie van neodymium, ijzer en boor. Deze materialen worden gewaardeerd omdat ze een krachtig magnetisch veld vasthouden, maar wetenschappers zijn tegen een muur gelopen: ze kunnen ze niet gemakkelijk sterker maken zonder andere essentiële eigenschappen te verliezen. Om deze limiet te doorbreken, hebben onderzoekers een andere strategie verkend: het bouwen van magneten uit twee verschillende materialen die samen in lagen zijn geplaatst. Eén laag is een "hard" magnetisch materiaal dat weerstand biedt tegen het verliezen van zijn magnetisme, wat fungeert als het anker. Het andere is een "zacht" magnetisch materiaal dat gemakkelijk te magnetiseren is, maar ook gemakkelijk zijn magnetisme verliest. De hoop is dat als deze twee lagen dicht genoeg bij elkaar worden geplaatst, ze hun magnetische richtingen aan elkaar zullen koppelen, waardoor er één enkel materiaal ontstaat dat zowel ongelooflijk sterk als zeer stabiel is.

Een team onderzoekers aan de Guizhou University of Commerce in China heeft een diepe duik genomen in hoe deze lagen met elkaar interageren, waarbij zij krachtige computersimulaties gebruikten om het gedrag van deze materialen op een microscopisch niveau te modelleren. In plaats van deze magneten fysiek te bouwen, wat moeilijk te controleren kan zijn op zulke minuscule schalen, creëerden zij een digitale laboratoriumomgeving. Ze simuleerden dunne films van neodymium-ijzer-boor als de harde laag en testten vier verschillende zachte materialen: ijzer, een specifie�s ijzer-stikstofverbinding, een ijzer-kobaltlegering en een ijzer-boorverbinding. Door deze lagen in verschillende arrangementen te stapelen — zoals een zachte laag gesandwicht tussen twee harde lagen, of een harde laag gesandwicht tussen twee zachte lagen — konden ze precies observeren hoe de magnetische velden zich gedroegen terwijl ze de dikte van de zachte lagen veranderden.

De simulaties onthulden dat de dikte van de zachte laag een cruciale knop is waar wetenschappers aan kunnen draaien om de prestaties van de magneet af te stemmen. Naarmate de zachte laag dikker wordt, wordt de magneet beter in het vasthouden van een sterk magnetisch veld, maar wordt hij zwakker in het weerstaan van externe krachten die proberen zijn magnetisme om te keren. De onderzoekers ontdekten dat er een "sweet spot" is waar deze twee concurrerende effecten perfect in balans zijn. Voor de meest voorkomende combinatie die zij testten, met ijzer als de zachte laag, trad de beste prestatie op wanneer de zachte laag ongeveer 4 nanometer dik was. Bij deze specifieke dikte bereikte het materiaal een maximale energieproduct van 84,54 MGOe, een maatstaf voor hoeveel magnetische energie de magneet kan opslaan. Dit was hoger dan de andere arrangementen die zij testten, zoals een enkele zachte laag naast één harde laag, of een harde laag gesandwicht tussen twee zachte lagen.

De meest verrassende ontdekking kwam echter toen zij het zachte materiaal zelf vervingen. Toen zij een verbinding van ijzer en stikstof, bekend als Fe16N2, als de zachte laag gebruikten, waren de resultaten zelfs nog dramatischer. In deze configuratie bereikte de magneet een maximale energieproduct van 109,38 MGOe bij een dikte van de zachte laag van 4 nanometer. Deze waarde is aanzienlijk hoger dan wat met de andere zachte materialen werd bereikt. De simulaties toonden aan dat deze superieure prestatie voortkomt uit de unieke manier waarop de ijzer-stikstofverbinding met de harde laag interacteert. De magnetische momenten, wat de kleine interne pijltjes zijn die in de richting van het magnetisme wijzen, lijnen zeer sterk uit over de grens tussen de twee materialen. Deze sterke verbinding stelt de magneet in staat om meer energie op te slaan zonder zijn stabiliteit te verliezen.

De onderzoekers keken ook nauwgezet naar hoe de magnetisatie omkeert, wat gebeurt wanneer een externe kracht probeert de polen van de magneet om te draaien. In de best presterende ijzer-stikstofopstelling vindt het omkeerproces plaats op een gecontroleerde, stapsgewijze manier. De magnetische pijltjes aan de randen van het materiaal beginnen eerst te kantelen, en deze kanteling verspreidt zich langzaam naar binnen, als een golf die door een menigte beweegt. Dit proces wordt in toom gehouden door een mechanisme genaamd "pinning", waarbij de grens tussen de harde en zachte lagen fungeert als een poort die voorkomt dat de omkering te snel of chaotisch plaatsvindt. Dit gecontroleerde gedrag is precies wat nodig is voor een hoogwaardige magneet. De studie suggereert dat wetenschappers, door zorgvuldig het zachte materiaal en de dikte ervan te kiezen, magneten kunnen ontwerpen die veel krachtiger zijn dan wat momenteel mogelijk is, wat een duidelijk pad biedt voor de volgende generatie magnetische technologie.