日本國立研究開發法人物質材料研究機構（NIMS）與東北學院大學合作，使在稀土類元素含量較少的釤鐵鈷化合物Sm(Fe0.8Co0.2)12中添加硼製作的薄膜，成功實現了足以用於汽車馬達等工業用途的1.2特士拉高矯頑力。這是通過用厚度約為3nm的非晶相均勻覆蓋Sm(Fe0.8Co0.2)12顆粒的獨特多相奈米結構實現的。採用薄膜的模型實驗證明，釤鐵基磁鐵的潛力超過釹磁鐵。
釹磁鐵在硬式磁碟機和智慧型手機等小型電子產品、空調等家電產品以及醫療器械MRI等需要強磁力的用途得到了廣泛應用，最近還常用於混合動力車和純電動車的驅動馬達以及風力發電機等，消耗量迅速增加。使用過程中溫度會升高的純電動車驅動馬達使用釹磁鐵來提高耐熱性，還使用了名為鏑的稀土類元素，但由於原料的地緣政治風險較高，需要開發不依賴這些元素的磁鐵。
已知SmFe12化合物的稀土（Sm）比例相對於鐵來說較低，磁化、磁晶異向性和居里溫度等磁性能的值也適合應用於磁鐵，長期以來，很多研究人員都在嘗試推進使用這種化合物開發磁鐵。2017年NIMS確認，SmFe12中20％的Fe被Co取代的Sm(Fe0.8Co0.2)12化合物，其磁性能值超過了釹磁鐵化合物Nd2Fe14B。不過，以前這種化合物一直未實現磁鐵所需的「矯頑力」，因此未能作為磁鐵實現實用化。
研究成果
目前廣泛使用的高性能釹磁鐵實現了由厚約3nm的非晶相覆蓋住單向排列的Nd2Fe14B晶體的各向異性多相結構，因此能獲得高矯頑力。所以，Sm(Fe0.8Co0.2)12化合物需要實現在晶界薄而均勻地形成第二相的微細構造。研究團隊通過在Sm(Fe0.8Co0.2)12薄膜中添加硼（B），生長出了晶體取向一致的薄膜，如圖1的電子顯微鏡照片所示，獲得了Sm(Fe0.8Co0.2)12的奈米晶被厚約3nm的非晶相覆蓋的顆粒狀組織。從電子顯微鏡樣本的透射圖和截面圖可以看出，該薄膜的細結構模式如圖1（b）所示，柱狀奈米晶全部朝著同一個方向取向，而且各晶體是被薄薄的非晶相包圍的各向異性多相組織。
圖1：Sm(Fe0.8Co0.2)12B0.5薄膜的面内和截面電子顯微鏡圖像以及微細組織的模式圖。
形成了由厚3nm的非晶相均勻覆蓋住Sm(Fe0.8Co0.2)12奈米顆粒的獨特各向異性多相組織。
圖2比較了添加B的Sm(Fe0.8Co0.2)12B0.5薄膜的磁化曲線。橫軸是為使樣本磁化而施加的外磁場的強度，縱軸是磁化值。外磁場為零時的磁化值為殘磁（可作為磁鐵使用的磁力值），向相反方向施加外磁場，磁化變為零的磁場值（磁鐵被外磁場消磁的磁場）為「矯頑力」。優質磁鐵的殘磁和矯頑力都非常高。不含B的樣本，矯頑力的值僅0.1特士拉（T），添加B的樣本則高達1.2特士拉。這個值約為此前報告的SmFe12基各向異性磁鐵實現的矯頑力的1.4倍。另外，Sm(Fe0.8Co0.2)12B0.5薄膜的殘磁為1.5T，與最高性能的釹磁鐵為同等水平。
圖2：Sm(Fe0.8Co0.2)12B0.5薄膜的磁化曲線。向樣本施加的磁場的方向垂直於薄膜。
另外，研究團隊測量此次開發的Sm(Fe0.8Co0.2)12B0.5薄膜的矯頑力對溫度的依賴性發現，1℃的減少率為-0.22％，小於釹磁鐵的-0.55％。純電動車和風力發電機等要求具備180℃的耐熱温度，不過此次確認，Sm(Fe0.8Co0.2)12B0.5薄膜具有優於釹磁鐵的耐熱性。
圖3比較了此前報告的SmFe12基磁鐵粉末、具備最高磁化的釹磁鐵以及此次研究的薄膜磁鐵的殘磁和矯頑力。此次，薄膜獲得的磁鐵特性遠遠超過以往的SmFe12基磁粉的特性，比釹磁鐵也略高一些。當然，要想使磁鐵實現實用化，必須在塊狀樣本中實現這種特性，不過此次的成果表明，適當控制細結構的話，能獲得此前SmFe12基各向異性磁鐵無論如何也無法獲得的高矯頑力。
圖3：殘磁與矯頑力的關係。目標磁鐵性能為滿足高矯頑力和高殘磁的右上部分。本次研究實現了遠遠高於此前的SmFe12基磁鐵和略高於釹磁鐵的特性。
如果想將Sm(Fe0.8Co0.2)12基化合物實際應用於磁鐵，需要在塊狀磁鐵中實現本次研究獲得的微細組織。今後將朝著這個目標進一步推進研究。
論文資訊
題目：Achievement of High Coercivity in Sm（Fe0.8Co0.2）12 Anisotropic Magnetic Thin Film by Boron Doping
期刊：《Acta Materialia》（2020）
DOI：10.1016/j.actamat.2020.05.026
文：JST客觀日本編輯部
