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Neutron study of magnetic correlations in rare-earth-free Mn-Bi magnets

本研究利用非偏振小角中子散射表征了无稀土锰铋（Mn-Bi）永磁体的磁相关性，揭示了其剩磁态具有长波横向磁化涨落，该涨落源于略微具有形状各向异性的结构，其回转半径为 220–240 nm。

原作者： Artem Malyeyev, Ivan Titov, Philipp Bender, Mathias Bersweiler, Vitaliy Pipich, Sebastian Mühlbauer, Semih Ener, Oliver Gutfleisch, Andreas Michels

发布于 2026-08-19

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CC BY 4.0

原作者： Artem Malyeyev, Ivan Titov, Philipp Bender, Mathias Bersweiler, Vitaliy Pipich, Sebastian Mühlbauer, Semih Ener, Oliver Gutfleisch, Andreas Michels

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

永磁体是现代技术的无声功臣，为从电动汽车中的电机到手机中的扬声器等各种设备提供动力。几十年来，最强大的磁铁一直依赖于像钕这样的稀土元素，而这些元素价格昂贵且难以获取。科学家们一直在寻找一种更便宜、更可持续的替代品，且该替代品仍需具备出色的性能，特别是在电动汽车电机内部的高温环境下。锰和铋的一种混合物是一个极具前景的候选材料。虽然这些磁铁目前的强度还不及稀土领域的佼佼者，但它们拥有一个独特的优势：它们的磁强度实际上会随着温度升高而增强，这一特性使它们成为高要求应用的理想选择。然而，为了改进这些磁铁，研究人员需要了解在普通显微镜无法观察到的微观尺度上，其内部究竟发生了什么。他们需要知道磁力是如何在材料微小的晶粒中排列的，以及晶体结构中的缺陷如何影响整体磁性。

为了解开这个谜团，一个研究小组求助于一种被称为中子散射的技术。想象一下，将一束中子（一种存在于原子中心的微小粒子）射向磁体样本。当这些中子穿过时，它们会与材料内部的磁场发生碰撞并反弹。通过仔细测量中子的散射方式，科学家可以绘制出固体金属内部不可见的磁性景观。在这项研究中，团队检查了三种不同版本的锰铋磁铁，每种磁铁的两种金属比例略有不同。他们首先用强磁场使样本磁化，然后将磁场降至零，使磁铁处于“剩磁”状态，即在没有外部推动的情况下仍能保持磁性。通过将剩磁状态下的中子散射图谱与完全饱和状态下的图谱进行对比，他们能够分离出来自磁性波动的特定信号，从而过滤掉来自原子本身的背景噪声。

结果显示，这些材料中的磁行为主要受长波长涨落支配，这本质上是磁化方向上一种温和的、大规模的摆动。这些摆动并非随机产生，而是与晶体结构中的物理缺陷（如微小的孔隙或晶粒间的边界）密切相关。研究人员发现，这些磁性扰动延伸的距离惊人地长，在剩磁状态下约为 220 到 240 纳米。从这个角度来看，这些磁性区域是清晰可测的特征，跨越了微观世界的一大部分。这个尺寸至关重要，因为它代表了晶体缺陷破坏磁序的尺度，而这一因素直接决定了材料被退磁的难易程度。

除了测量这些区域的大小，研究还揭示了合金成分之间细微但重要的差异。对于其中两个样本，磁性结构呈现出大致的球形或球状。然而，对于铋含量最高的那个样本，数据则指向了不同的形状。分析表明，该特定合金中的磁散射并非源于圆形的斑块，而是源于略微拉长的棒状结构。这一发现令人感到意外，因为此前使用类似的电子显微镜图像并未观察到这种具有形状各向异性的颗粒。然而，中子数据提供了一个观察磁性排列的独特窗口，表明增加铋含量可能会导致磁畴发生拉伸。

这种区别至关重要，因为这些磁性区域的形状会影响磁铁的整体性能。如果磁性结构是拉长的，它们可以提供一种形状各向异性，就像一把天然的锁，有助于磁铁抵抗失去强度。研究人员建议，通过调整合金成分以促进这些拉长结构的形成，或许可以制造出硬度更高、更抗退磁的锰��表示磁铁。虽然这项研究并未解决所有谜团——例如为什么其散射的数学模式与其他类型的磁铁略有不同——但它提供了一种明确的新方法，将微观磁性缺陷与磁铁的宏观特性联系起来。通过利用中子窥视隐藏的磁性架构，该团队为工程师提供了一份路线图，指导他们如何调节这些无需稀土的磁铁，从而有望弥合廉价、低性能磁铁与驱动现代世界的昂贵、高性能磁铁之间的差距。

技术摘要：针对无稀土 Mn–Bi 永磁体中磁相关性的中子研究

问题陈述
永久磁铁是电子和电机中的关键部件，然而目前市场仍由高性能的 Nd-Fe-B 磁铁和低性能的铁氧体所主导。目前存在一个特定的技术空白，即需要能够在高达 500 K 温度下工作的中等性能、高性价比材料，因为 Nd-Fe-B 的性能在这些温度下会显著下降。无稀土 Mn 基永磁体，特别是 Mn–Bi 二元合金的低温相，由于其具有正的磁各向异性温度系数，是填补这一空白的理想候选材料。然而，现有的研究大多集中在整体测量技术和工程方面，而这些材料的宏观磁性能源于介观尺度（纳米至微米）上磁化矢量场的空间变化。为了从基础科学和材料科学的角度优化材料性能，深入理解磁相关性和长波长磁化涨落是十分必要的。

方法论
作者研究了三种不同合金成分的冷压各向同性 Mn–Bi 磁体：Mn $_{55}$ Bi $_{45}$ 、Mn $_{50}$ Bi $_{50}$ 和 Mn $_{45}$ Bi $_{55}$ 。样品通过电弧熔炼、退火和球磨进行合成，随后冷压成块。

主要实验技术采用了在 Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ) 的 KWS-3 仪器上进行的非偏振极小角中子散射 (VSANS)，实验在室温下进行。

几何结构： 外加磁场 ( $H_0$ ) 垂直于入射中子束 ( $H_0 \perp k_0$ )。
数据采集： 在 2.2 T 的饱和场下进行测量，随后在较低磁场下（包括剩磁状态 0 T）进行测量。
数据处理： 为了分离磁信号，从低磁场下的数据中减去了 2.2 T（此时磁化已饱和且核散射占主导）下的总散射截面。该程序消除了核贡献，从而获得了纯粹的磁性 SANS 截面 ( $d\Sigma_M/d\Omega$ )。
分析： 所得磁散射数据通过两种互补的方法进行分析：
1. 广义 Guinier-Porod (GP) 模型： 一种经验模型，用于将散射曲线分解为 Guinier 区域和 Porod 区域，并提供诸如 Guinier 半径 ( $R_G$ )、维度因子 ( $s$ ) 和 Porod 幂律指数 ( $n$ ) 等参数。
2. 距离分布函数 ( $p(r)$ )： 一种从散射数据中推导出的模型无关计算，用于表征散射对象的尺寸、形状以及颗粒间的相关性。

主要结果

磁相关长度： 磁性 SANS 截面由长波长横向磁化涨落主导。分析表明，所有三种成分在剩磁态下的 Guinier 半径 ( $R_G$ ) 均在约 220 nm 至 240 nm 之间。该长度尺度代表了围绕微观结构缺陷（如位错或界面）发生自旋失配的非均匀磁化区域的大小。
磁场依赖性： $R_G$ 随磁场变化的行为因成分而异。Mn $_{45}$ Bi $_{55}$ 样品表现出 $R_G$ 从剩磁态的 ~220 nm 降至 1.5 T 时的 ~100 nm，这与外加磁场抑制自旋失配涨落的现象一致。Mn $_{50}$ Bi $_{50}$ 样品显示出 $R_G$ 随磁场增加的趋势，尽管存在较大的不确定性。Mn $_{55}$ Bi $_{45}$ 样品在误差范围内表现出与磁场无关的 $R_G$ 。
结构各向异性：
- Porod 指数 ( $n$ ) 被发现系统性地低于锐利界面值 4（范围在 3.38 至 3.58 之间），这表明存在平滑表面或连续的磁化密度变化。
- 维度参数 ( $s$ ) 和距离分布函数 ( $p(r)$ ) 揭示了磁性结构的形状差异。
  - Mn $_{55}$ Bi $_{45}$ 和 Mn $_{50}$ Bi $_{50}$ 样品表现出接近 0 的 $s$ 值，且其 $p(r)$ 剖面符合球状（球形）散射体的特征。
  - Mn $_{45}$ Bi $_{55}$ 样品表现出 $s = 1.07$ 的值，以及在 ~470 nm 处具有宽极大值和长尾部的 $p(r)$ 剖面。这表明该成分中的磁散射起源于略微具有形状各向异性的拉长结构，尽管在类似样品上的电子显微镜观察并未发现该特定长度尺度的颗粒。

意义与主张
本文声称，所呈现的中子方法——特别是差分数据分析、广义 Guinier-Porod 模型和距离分布函数的结合——提供了一种独特的手段，能够系统地将自旋失配长度（一种缺陷属性）与宏观永磁参数（如矫顽力和最大能量积）联系起来。

研究表明，增加 Mn–Bi 合金中的 Bi 含量可能会导致磁性结构变得更加拉长。作者认为，这种形状各向异性可以作为增强化合物磁硬度的有效途径，为在不依赖稀土元素的情况下提高矫顽力提供了潜在路径。此外，这项工作强调了磁性 SANS 能够确定那些通过整体测量技术无法获取的相关特征参数（如 $R_G$ 、 $s$ 、 $n$ ），从而弥合了介观磁性微观结构与宏观性能之间的鸿沟。

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