Fe-Ga合金中的五角形晶畴

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Pentagon domains in Fe Ga alloys

本文通过Bitter法观测到Fe-Ga单晶表面五边形磁畴，其边界由四种90°V线构成，并利用Kerr显微镜验证，揭示了zigzag边界的物理起源，解决了磁畴机制争议。

　　

王宇宇|田恩宁|鲁道夫·谢弗|金永梅

密歇根理工大学材料科学与工程系，霍顿，MI 49931，美国

摘要

本文报道了使用Bitter方法观察到的Fe^8.5at.%Ga单晶表面上的五边形磁畴。这些磁畴与平行排列的Landau-Lifshitz型磁畴（本文称为“带状磁畴”）相交。研究发现，五边形磁畴具有特殊的锯齿状边界，与常见的180° V线边界不同。为了分析五边形磁畴的微观磁结构，研究了它们对垂直磁场的响应。具体而言，通过垂直磁场诱导的尖峰磁畴配置确定了五边形磁畴及其相邻带状磁畴的磁化方向。进一步推断出五边形磁畴的亚表面结构，发现锯齿状边界实际上由四种类型的90° V线组成。这些基于Bitter观测的结果随后通过Kerr显微镜技术得到了验证。Fe^8.5at.%Ga中90° V线和180° V线这两种锯齿状边界的共存现象，进一步阐明了锯齿状边界的起源，这一现象是关于铁基磁致伸缩材料中磁畴现象的重要科学争议的核心。

引言

Fe^8.5at.%Ga合金（也称为Galfenol）因其高达400 ppm的磁致伸缩率[1]、出色的延展性和热稳定性而受到关注，其延展性和热稳定性远超目前最先进的磁致伸缩合金Terfenol-D。这种延展性使得Fe^8.5at.%Ga合金能够在拉伸载荷下使用[2]，而热稳定性则显著拓宽了其应用温度范围[3]。这些优势加上其良好的加工性能以及不含稀土元素的特点，使Fe^8.5at.%Ga合金成为执行器和传感器应用中最有前景的磁致伸缩合金之一。此外，最近有研究表明Fe^8.5at.%Ga合金表现出非常规的非体积守恒磁致伸缩行为，即非焦耳磁致伸缩[4]。非焦耳磁致伸缩在科学上具有吸引力，并在技术上有广泛应用前景，但目前仍存在争议，需要进一步验证[5],[6],[7]。尽管人们对Fe^8.5at.%Ga合金作为有前景的功能材料表现出浓厚兴趣，但我们对它们磁致伸缩行为的理解仍然非常有限，这主要是由于对潜在磁畴现象的理解不足。

值得注意的是，Fe^8.5at.%Ga样品表面沿〈100〉方向的锯齿状磁畴边界长期以来一直存在争议。这两种截然不同的模型——新型电荷密度波模型[4],[8]和传统的V线模型[9]——对这种锯齿状边界的形成进行了解释（见图1）。电荷密度波模型是假设性的，尚未得到验证，并且与经典的磁畴理论相矛盾。该模型旨在解释Fe^8.5at.%Ga合金中由锯齿状边界构成的蜂窝状磁畴结构（见图1(a)），并解释其非焦耳磁致伸缩现象[4],[8]。另一方面，V线模型[9]将Fe^8.5at.%Ga合金中的锯齿状边界解释为传统的180° V线，属于经典的Landau-Lifshitz通量闭合表面磁畴模式（见图1(b)），并不支持非焦耳磁致伸缩现象（某些实验反驳了Fe^8.5at.%Ga合金中的非焦耳磁致伸缩[5],[6],[7]）。事实上，从经典磁畴理论的角度来看，V线模型早已被确立[10],[11],[12],[13]，并在经典的Fe^8.5at.%Si合金中得到了实验验证[14]。V线锯齿状结构的形成是由于内部90°壁的折叠，这种折叠降低了{110}取向的90°磁畴壁的比能[10],[13]。尽管V线模型在Fe^8.5at.%Ga中尚未得到直接验证，但由于Fe^8.5at.%Si和Fe^8.5at.%Ga都是具有相同立方对称性的铁类合金，这一模型在Fe^8.5at.%Ga中也非常合理。本文首次报道了在Fe^8.5at.%Ga合金中观察到的五边形磁畴，这些磁畴具有与180° V线不同的新型锯齿状边界。这些发现为Fe^8.5at.%Ga中的锯齿状边界现象提供了新的认识，并为解决关于铁基磁致伸缩材料中锯齿状边界和磁畴机制的争议提供了新的证据。

实验方法

使用Bitter方法观察了在Ames实验室制备的原始Fe^8.5at.%Ga单晶样品上的磁畴。该样品呈矩形棱柱形状，具有{100}晶面，尺寸约为4 × 2 × 2 mm³。其中一个4 × 2 mm²的面被抛光至0.04 μm的胶体二氧化硅表面，此后将其称为（001）面。详细的抛光过程在其他文献中有描述[15]。使用Ferrotec设备观察了磁畴。

结果与讨论

我们晶体（001）表面的主要特征是平行排列的条状磁畴，其锯齿状边界沿[100]或[010]方向延伸，这些锯齿状边界对应于图1(b)中所示的经典的Landau-Lifshitz闭合磁畴的180° V线[15]。我们将这些条状磁畴称为“带状磁畴”，以区别于通常用于垂直方向的“条状磁畴”这一术语。

结论

对Fe^8.5at.%Ga单晶（001）表面的Bitter成像显示，存在具有特殊不连续斜向分段的五边形磁畴，这些分段的边界在与其他边界形成的T形交叉点处改变倾斜方向。利用基于磁畴对垂直磁场响应的尖峰选择规则，推导出了这些五边形磁畴的3D亚表面结构。斜向分段边界被确认为由四种类型组成的复合边界。

作者贡献声明

王宇宇：撰写初稿、可视化处理、验证、数据分析、概念构建。田恩宁：可视化处理、数据分析、数据整理。鲁道夫·谢弗：撰写、审稿与编辑、可视化处理、资源协调、数据分析、数据整理。金永梅：撰写初稿、可视化处理、指导工作、资源协调、项目管理、方法设计、资金申请、数据分析、概念构建。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

感谢美国国家科学基金会在以下项目中的支持：DMR-1409317（M.N.T.和Y.M.J）和CMMI-2212324（Y.M.J）。