近日，安徽工業(yè)大學(xué)侯龍老師團(tuán)隊(duì)在富鈷鐵基納米晶合金軟磁性能優(yōu)化領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。該研究以題為“Magnetic field-assisted two-step annealing for super magnetic softness in Co-rich Fe-based nanocrystalline alloys”的論文發(fā)表于材料科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域頂級(jí)期刊《Journal of Materials Science & Technology》?？蒲袌F(tuán)隊(duì)使用致真精密儀器的磁光克爾測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)證實(shí)磁場(chǎng)輔助兩步退火后合金磁疇特征，為破解其飽和磁通密度-矯頑力(Bs?Hc)權(quán)衡關(guān)系提供了關(guān)鍵證據(jù)。

▲《Journal of Materials Science & Technology》期刊論文截圖。

▲致真精密儀器磁光克爾測(cè)量系統(tǒng)直接觀測(cè)到的(Fe0.8Co0.2)84Ni2B12.5Cu1Si0.5合金磁疇形貌圖，清晰呈現(xiàn)了無(wú)磁場(chǎng)退火(NA1)、一步磁場(chǎng)退火(FA1)及兩步磁場(chǎng)退火(FA2)工藝下的磁疇差異。

軟磁材料是高效能源轉(zhuǎn)換與傳輸?shù)暮诵牟牧希瑥V泛應(yīng)用于變壓器、電機(jī)和電感器等電子器件。隨著5G通信、新能源汽車(chē)和智能制造的快速發(fā)展，對(duì)高飽和磁通密度和低矯頑力的軟磁材料需求日益迫切。然而，傳統(tǒng)鐵基納米晶合金面臨一個(gè)棘手的Bs-Hc權(quán)衡困境：提高飽和磁通密度往往導(dǎo)致矯頑力惡化，反之亦然。特別是當(dāng)引入鈷元素提升磁性能時(shí)，其帶來(lái)的磁各向異性會(huì)嚴(yán)重?fù)p害磁軟度。如何破解這一權(quán)衡關(guān)系，成為軟磁材料領(lǐng)域的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種富鈷鐵基納米晶合金(Fe0.8Co0.2)84Ni2B12.5Cu1Si0.5，并提出磁場(chǎng)輔助兩步退火新策略。該策略將退火過(guò)程分為兩個(gè)階段：第一階段在280 °C下預(yù)退火10分鐘，在磁場(chǎng)輔助下進(jìn)行結(jié)構(gòu)弛豫，促進(jìn)原子重排形成更均勻的亞納米尺度結(jié)構(gòu)；第二階段在約400 °C下晶化退火5分鐘，再次施加磁場(chǎng)降低形核激活能，促進(jìn)高密度類(lèi)晶有序團(tuán)簇形成，從而抑制粗大納米晶粒的生長(zhǎng)。

圖1.制備與熱處理工藝示意圖（FA1和FA2過(guò)程中施加的磁場(chǎng)強(qiáng)度為 0.08 T）：(a) 帶材制備示意圖；(b) 熱處理流程示意圖；(c) 多參數(shù)退火工藝詳細(xì)說(shuō)明圖。

研究團(tuán)隊(duì)利用致真精密儀器的磁光克爾測(cè)量系統(tǒng)直接觀測(cè)磁疇演變，清晰揭示了磁場(chǎng)輔助兩步退火對(duì)磁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化作用。無(wú)磁場(chǎng)退火的樣品磁疇垂直于易磁化方向，存在大量分支和粗糙邊緣，釘扎效應(yīng)顯著。經(jīng)一步磁場(chǎng)退火后，磁疇趨于規(guī)則，釘扎點(diǎn)減少，磁疇壁接近外場(chǎng)方向。而經(jīng)過(guò)兩步磁場(chǎng)退火的樣品，磁疇完全平行于外磁場(chǎng)，無(wú)可見(jiàn)釘扎點(diǎn)，磁化過(guò)程以磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)為主，實(shí)現(xiàn)了超低矯頑力。

微觀結(jié)構(gòu)分析進(jìn)一步揭示了這一現(xiàn)象的內(nèi)在機(jī)理。磁場(chǎng)輔助兩步退火使合金形成高密度類(lèi)晶有序團(tuán)簇而非粗大納米晶，平均晶粒尺寸從35.9 nm降至17.6 nm。這種獨(dú)特結(jié)構(gòu)使總磁各向異性顯著降低，與磁疇觀測(cè)結(jié)果高度吻合，為優(yōu)異的磁軟度提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

圖2.(Fe0.8Co0.2)84Ni?B12.5Cu?Si0.5合金400 ℃退火后的微觀結(jié)構(gòu)：(a、c) 明場(chǎng)透射電鏡圖像；(b、d) 對(duì)應(yīng)的晶粒尺寸分布；(e、f) 為 (c) 中選定的Ⅰ、Ⅱ區(qū)域的局部放大圖像。

經(jīng)優(yōu)化后的合金展現(xiàn)出卓越的軟磁性能，飽和磁通密度達(dá)到1.86 T，矯頑力僅為3.7 A/m，有效磁導(dǎo)率在1 kHz下達(dá)10700。與現(xiàn)有商用合金相比，該材料飽和磁通密度顯著優(yōu)于傳統(tǒng)產(chǎn)品，同時(shí)保持極低矯頑力，成功破解了富鈷合金中的磁性能權(quán)衡難題。

該研究通過(guò)磁場(chǎng)輔助兩步退火實(shí)現(xiàn)了對(duì)合金原子構(gòu)型和磁結(jié)構(gòu)的協(xié)同調(diào)控，為設(shè)計(jì)高性能富鈷鐵基納米晶軟磁材料提供了新思路。

磁光克爾測(cè)量系統(tǒng)

磁光克爾測(cè)量系統(tǒng)可對(duì)磁性材料和自旋電子芯片進(jìn)行高分辨磁疇成像，分辨率可達(dá)250 nm，配置高度智能化的控制系統(tǒng)和多功能磁場(chǎng)探針臺(tái)，將光學(xué)成像、多維磁場(chǎng)、電學(xué)輸運(yùn)表征、微波測(cè)試、變溫模塊集成于一體，一鍵操作便能實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)、電流、自旋軌道矩、自旋轉(zhuǎn)移矩等各種激勵(lì)條件下的磁動(dòng)力學(xué)過(guò)程觀察。配備微秒級(jí)快速反應(yīng)磁場(chǎng)，能夠進(jìn)行高精度磁疇速度測(cè)量和DMI測(cè)量。

致真精密儀器

致真精密儀器致力于實(shí)現(xiàn)高端科學(xué)儀器和集成電路測(cè)試設(shè)備的自主可控與國(guó)產(chǎn)替代，深耕微納表征、磁學(xué)測(cè)量、低溫強(qiáng)磁物性表征、半導(dǎo)體量檢測(cè)等領(lǐng)域，通過(guò)核心技術(shù)攻關(guān)與工程化落地，已成功推出系列高端科研級(jí)設(shè)備與產(chǎn)業(yè)級(jí)解決方案：

科研級(jí)核心設(shè)備：原子力顯微鏡（微納形貌表征核心設(shè)備）、高精度 VSM（振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)）、磁光克爾測(cè)量系統(tǒng)、常溫/變溫磁場(chǎng)探針臺(tái)系列、低溫強(qiáng)磁場(chǎng)光學(xué)測(cè)量平臺(tái)等；

產(chǎn)業(yè)級(jí)解決方案：晶圓級(jí)MOKE測(cè)量?jī)x、隧穿磁阻比率測(cè)量?jī)x、自旋芯片F(xiàn)T測(cè)試機(jī)等量檢測(cè)設(shè)備。

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