近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所內(nèi)耗與固體缺陷研究部在體心立方(BCC) FeGa單晶Zener弛豫研究方面取得新進(jìn)展。相關(guān)成果以“Tetragonal dipole dominated Zener relaxation in BCC-structured Fe-17at.% Ga single crystals”為題發(fā)表在金屬材料頂級(jí)期刊Acta Materialia (Acta Mater., 258, 119245 (2023))上。      FeGa合金由于具有驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)低、磁致伸縮系數(shù)高、阻尼溫域?qū)挕⑽⒄駝?dòng)響應(yīng)敏感、以及力學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn)，在制動(dòng)器、傳感器以及微振動(dòng)抑制領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。然而，F(xiàn)eGa合金磁致伸縮和阻尼性能與Ga原子占位密切相關(guān)，如何鑒別和評(píng)估材料內(nèi)部Ga原子占位成為目前FeGa合金研究面臨的一個(gè)關(guān)鍵難題。內(nèi)耗技術(shù)對(duì)材料內(nèi)部缺陷弛豫極為靈敏，因而，通過(guò)內(nèi)耗技術(shù)有望解決評(píng)估Ga原子占位這一難題，并為FeGa合金磁致伸縮和阻尼性能提升提供指導(dǎo)。

鑒于此，研究團(tuán)隊(duì)在成功生長(zhǎng)大尺寸FeGa單晶的基礎(chǔ)上，制備了具有不同取向因子的FeGa二元單晶合金。通過(guò)對(duì)比研究FeGa多晶和單晶的內(nèi)耗行為，確定了450℃附近的弛豫峰屬于晶粒內(nèi)部的Zener弛豫行為而非晶界弛豫；通過(guò)測(cè)量和分析不同取向FeGa單晶的內(nèi)耗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)隨著單晶取向因子的增加，Zener弛豫凈峰高逐漸增加（圖1）。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步對(duì)具有不同原子對(duì)構(gòu)型BCC晶胞的弛豫強(qiáng)度進(jìn)行系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)FeGa單晶的三方和正交構(gòu)型偶極子的弛豫強(qiáng)度隨取向因子的增加而降低，僅四方偶極子的弛豫強(qiáng)度隨著取向因子的增加而增加。應(yīng)變張量分析及擬合結(jié)果表明，BCC結(jié)構(gòu)FeGa單晶Zener弛豫主要來(lái)自于第二近鄰溶質(zhì)原子對(duì)的貢獻(xiàn)，第一近鄰溶質(zhì)原子對(duì)對(duì)Zener弛豫的貢獻(xiàn)僅占次要位置。同時(shí)，對(duì)于Fe-17at.% Ga單晶，其弛豫激活能約為1.8 eV，遠(yuǎn)低于多晶材料中通過(guò)內(nèi)耗測(cè)得的激活能（圖2），且該值與示蹤法測(cè)得激活能大小相當(dāng)，表明該值更接近于實(shí)際Ga原子的擴(kuò)散激活能。此外，結(jié)合電子結(jié)構(gòu)以及應(yīng)變分析，闡明了Zener弛豫強(qiáng)度與磁致伸縮系數(shù)的正相關(guān)關(guān)系(圖3)。

該工作明確地揭示出體心立方結(jié)構(gòu)FeGa單晶Zener弛豫來(lái)主要自于第二近鄰溶質(zhì)原子對(duì)，糾正了長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)BCC合金中Zener弛豫來(lái)自于第一近鄰溶質(zhì)原子對(duì)的認(rèn)知，該結(jié)論同樣適用于其他BCC固溶體合金。同時(shí)，該工作表明Zener實(shí)驗(yàn)可用于分析單組元或多組元合金中是否存在微區(qū)溶質(zhì)短程有序、溶質(zhì)原子的有序程度、以及溶質(zhì)原子占位等。這些分析將有助于研究材料的微觀結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)信息，并探究彈性偶極子對(duì)材料力學(xué)和功能特性的影響。

上述研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、安徽省自然科學(xué)基金、安徽省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目及松山湖大科學(xué)裝置開(kāi)放課題基金的資助。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119245

圖1. (a) 不同取向Fe-17at.%Ga單晶的凈Zener弛豫內(nèi)耗峰；(b)凈弛豫強(qiáng)度隨取向因子的變化關(guān)系。

圖2. (a) Fe-17at.%Ga單晶的Zener弛豫激活能隨取向因子變化關(guān)系；(b)FeGa單晶與不同BCC結(jié)構(gòu)Fe基合金Zener弛豫參數(shù)對(duì)比圖。

圖3. FeGa合金中磁致伸縮系數(shù)和Zener弛豫強(qiáng)度的比較圖。在有序和無(wú)序相區(qū)，磁致伸縮系數(shù)和Zener弛豫強(qiáng)度隨Ga含量變化具有高度一致性。