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Scientific Reports 13권, 기사 번호: 14282(2023) 이 기사 인용

측정항목 세부정보

자성 재료의 압축은 자성 특성의 변화를 가져옵니다. 우리는 단결정 및 다결정 Fe와 이연속 나노폼 구조를 모두 사용하여 bcc-Fe의 특별한 경우에 대한 스핀-격자 역학을 사용하여 이 효과를 조사합니다. 우리는 압축의 탄성 단계에서 가장 가까운 이웃 원자 껍질의 인구가 많아지고 결과적으로 이웃 스핀의 교환 상호 작용이 높아지기 때문에 자화가 증가한다는 것을 발견했습니다. 대조적으로, 압축의 소성 단계에서는 결함이 생성됨에 따라 자화가 가라앉아 무질서가 증가하고 일반적으로 평균 원자 배위 수가 감소합니다. 그 효과는 다결정보다 단결정에서 더 뚜렷합니다. 그 이유는 결정립계 형태의 결함이 압축의 탄성 단계 동안 자화의 증가를 방해하기 때문입니다. 또한, 그 효과는 실온보다 퀴리 온도에 가까운 온도에서 더 두드러집니다. 나노폼에서는 압축이 인대 내 변형에 의한 것보다 자화에 미치는 영향이 미미한 공극 감소 및 필라멘트 굽힘에 의해 더 많이 진행되기 때문에 압축 효과가 미미합니다. 이러한 발견은 가소성을 도입하여 변형 시 자화를 조정하는 데 유용하다는 것이 입증될 것입니다.

벌크 bcc-Fe의 강자성은 이후 ab-initio 기술을 사용하여 오랫동안 조사되어 왔습니다. 이를 통해 공석 및 격자간2,3,4와 같은 고립된 점 결함과 저굴절률 표면5 및 결정립 경계6,7,8,9와 같은 높은 대칭성 결함 구조의 국지적 효과도 이해할 수 있습니다. 그러나 확장된 결함, 특히 전위 및 수 nm 이상으로 확장된 구조의 효과는 ab-initio 기술의 계산 범위를 벗어납니다. 지난 10년 동안 스핀-격자 역학(SLD) 방법은 격자의 원자적 분자 역학 시뮬레이션과 스핀 시스템의 역학에 대한 고전적인 설명을 결합하여 미세한 이해를 얻었습니다.

금속의 압축은 전위 및 쌍정과 같은 확장된 결함을 기반으로 하는 가소성을 유도합니다. 압축과 자성의 상호 작용을 위해서는 Fe의 자기적 특성과 기계적 특성을 결합하여 조사해야 합니다. 이러한 결합은 오래 전에 인식되었습니다14. 요즘에는 자화와 가소성이 서로 영향을 미칠 수 있으며 결합에 대한 이해가 원하는 자기 및 기계적 특성을 엔지니어링하는 데 도움이 될 수 있다는 것이 잘 알려져 있습니다. 최근 Li et al.18은 인장 변형 하에서 Fe 격자의 자화 감소를 설명하기 위해 밀도-함수 이론 계산을 사용했지만 결함 형성 및 가소성을 고려하지 않고 탄성 변형에 대해서만 설명했습니다. Wang et al.19은 나노압입이 압입 피트 주위의 국소 자성에 미치는 영향을 연구했지만 스핀 온도가 0인 경우에만, 즉 스핀 역학의 효과를 무시했습니다. Castro et al.20은 분자 역학과 미세 자기 시뮬레이션을 결합하여 변형 시 Fe의 자기 특성이 어떻게 변하는지 보여주었습니다.

최근 스핀-격자 시뮬레이션을 포함하여 낮은 변형률에서 자기탄성 효과에 대한 수많은 연구가 있습니다. 그러나 나노 규모, 특히 큰 변형률 값에서 자화와 변형률을 실험적으로 정량화하는 것이 어렵기 때문에 부분적으로 많은 질문이 남아 있습니다. 자화에서 압력의 역할을 탐구하는 여러 실험이 있습니다. 압력을 받는 Fe는 실험, 모델 및 시뮬레이션을 사용하여 광범위하게 연구되었습니다. bcc \(\rightarrow\) hcp 변환은 부피 붕괴와 강자성에서 비자성으로의 전환을 모두 포함하는 것으로 알려져 있으므로 자기 및 구조적 순서를 동시에 처리할 필요성이 지적되었습니다. 또 다른 예로서, Kong et al.36은 Ni 박막의 가소성이 적층 결함 형태로 순환 변형 하에서 자기 도메인 회복을 수정한다는 것을 발견했습니다. 결합된 스핀-격자 역학은 변형 하에서 핵을 생성하고 진화하므로 미세 자기 시뮬레이션이나 고정 격자를 사용한 원자 스핀 역학 시뮬레이션에 포함될 수 없는 결함을 포함해야 합니다.