Ultra-strong magnetocrystalline anisotropy of Sm-Fe-N permanent magnetic materials

开发兼具高最大磁能积与高居里温度的稀土永磁体，已成为当前应用磁学领域的核心挑战与战略目标.Sm-Fe-N理论磁能积与钕铁硼（ 59 MGOe）相当，但具有更高的居里温度和更强的磁晶各向异性，且不含重稀土和不受钕价格波动影响，是具有高稳定性与高矫顽力潜力的一种新型稀土永磁材料.本研究中，我们系统研究了超强磁晶各向异性Sm-Fe-N中的氮含量/占位、磁结构/超精细场以及Sm/Fe自旋轨道耦合。通过特殊装样与吸收修正，成功获得Sm2Fe17及氮化物的高质量中子衍射图谱.研究表明，N原子择优占据9e间隙位，形成了全氮化合物Sm2Fe17N3.结合57Fe穆斯堡尔谱，发现氮化显著提升了材料的居里温度和基态Fe磁矩，从而增强了其室温磁性能.稳态强磁场测量表明，Sm2Fe17N3室温各向异性场为22.6 T，2 K时超过50 T，具有超强磁晶各向异性，为实现高矫顽力提供了关键基础.通过磁圆二色性技术，确认Sm磁性以轨道磁矩的贡献为主，其强自旋轨道耦合效应是超强磁晶各向异性的物理根源.相比之下，Fe轨道磁矩发生淬灭，使其总磁矩由自旋磁矩贡献.本研究阐明了间隙氮含量/占位与磁晶各向异性的内在关系，揭示稀土Sm/Fe自旋轨道耦合机制，为设计高性能永磁材料提供了重要理论依据.