FeGa合金由于具有驅動(dòng)磁場(chǎng)低、磁致伸縮系數高、阻尼溫域寬、微振動(dòng)響應敏感、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)域具有巨大的應用潛力。然而，FeGa合金的磁致伸縮和阻尼性能與Ga原子占位密切相關(guān)，如何鑒別和評估材料內部的Ga原子占位成為目前FeGa合金研究面臨的關(guān)鍵難題。內耗技術(shù)對材料內部缺陷弛豫極為靈敏，因而，通過(guò)內耗技術(shù)有望解決評估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。
鑒于此，研究團隊在成功生長(cháng)大尺寸FeGa單晶的基礎上，制備了具有不同取向因子的FeGa二元單晶合金。通過(guò)對比研究FeGa多晶和單晶的內耗行為，確定了450 附近的弛豫峰屬于晶粒內部的Zener弛豫行為而非晶界弛豫；通過(guò)測量和分析不同取向FeGa單晶的內耗數據，發(fā)現隨著(zhù)單晶取向因子的增加，Zener弛豫凈峰高逐漸增加（圖1）。
研究團隊進(jìn)一步對具有不同原子對構型BCC晶胞的弛豫強度進(jìn)行系統分析，發(fā)現FeGa單晶的三方和正交構型偶極子的弛豫強度隨取向因子的增加而降低，僅四方偶極子的弛豫強度隨著(zhù)取向因子的增加而增加。應變張量分析及擬合結果表明，BCC結構FeGa單晶Zener弛豫主要來(lái)自于第二近鄰溶質(zhì)原子對的貢獻，第一近鄰溶質(zhì)原子對對Zener弛豫的貢獻僅占次要位置。同時(shí)，對于Fe-17at.% Ga單晶，其弛豫激活能約為1.8 eV，遠低于多晶材料中通過(guò)內耗測得的激活能（圖2），且該值與示蹤法測得激活能大小相當，表明該值更接近于實(shí)際Ga原子的擴散激活能。此外，結合電子結構以及應變分析，闡明了Zener弛豫強度與磁致伸縮系數的正相關(guān)關(guān)系(圖3)。
該工作明確地揭示出體心立方結構FeGa單晶Zener弛豫來(lái)主要自于第二近鄰溶質(zhì)原子對，糾正了長(cháng)期以來(lái)對BCC合金中Zener弛豫來(lái)自于第一近鄰溶質(zhì)原子對的認知，該結論同樣適用于其他BCC固溶體合金。同時(shí)，該工作表明Zener實(shí)驗可用于分析單組元或多組元合金中是否存在微區溶質(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(guān)結構和動(dòng)力學(xué)信息，并探究彈性偶極子對材料力學(xué)和功能特性的影響。
上述研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、安徽省自然科學(xué)基金、安徽省重點(diǎn)研發(fā)項目及松山湖大科學(xué)裝置開(kāi)放課題基金的資助。
圖 3. FeGa 合金中磁致伸縮系數和 Zener 弛豫強度 的比較圖。在有序和無(wú)序相區，磁致伸縮系數和 Zener 弛豫強度隨 Ga 含量變化具有高度一致性。
