安静的办公室里，荧光灯发出的嗡嗡声是否经常让你感到不安？这声音是从镇流器发出来的，镇流器（ballast resistor）是日光灯必不可少的配件，起到限流和产生瞬间高压的作用，它是在硅钢制作的铁芯上缠漆包线制作而成，这样的带铁芯的线圈，在瞬间开/关上电时，就会自感产生高压，加在日光灯管的两端的电极（灯丝）上。镇流器在日光灯工作时，两端一直有电流通过，所以容易产生振动，并且会发热，所以有镇流器的日光灯，特别是镇流器质量不好时，会产生很大的声音，用的时间长了，还容易烧毁。简单来说，荧光灯的嗡嗡声与日光灯中磁铁性材料的磁制伸缩特性有关，拥有这一特性的材料，他们的形状变化会与磁场相关联，磁化材料受到外加磁场作用时，每一磁区会产生一扭转力矩N=m×B（m 为磁炬，B 为磁束密度），受此力矩影响，晶格方向会稍微旋转，材料的尺寸也会改变。虽然日光灯的嗡嗡声可能会成为社畜们无心工作时的甩锅对象，但这一磁致伸缩特性却有望为新一代更高效的计算设备提供动力。磁电设备可以使用磁场来存储二进制数据：微小的电脉冲使它们略微膨胀或收缩，将它们的磁场从正变为负，或从负变正，因而不需要像目前的芯片那样源源不断地供给电力，仅使用一小部分能量就能完成同样的工作。有专家认为，磁致伸缩材料的应用可诱发一系列的新技术，新设备，新工艺。它是可提高一个国家竞争力的材料，是21世纪战略性功能材料。
目前大多数的磁致伸缩材料都需使用稀土元素，稀土元素数量稀缺且成本高昂，很难满足规模化发展计算设备的需求。Fe 1− x Ga x合金是性能优越的无稀土磁致伸缩材料，但由于寄生有序金属间相的存在，其磁致伸缩性能在x = 19%时会被显著抑制，这也阻碍了成本低廉的铁镓合金在下一代计算设备中的应用。密歇根大学密材料科学与工程系的研究团队J. T. Heron等人提出了一种低温分子束外延工艺，可有效解决这一问题，大幅提升Fe1− x Ga x合金的磁致伸缩性能，使其至少达到同类材料的两倍，且成本远低于同类材料。研究成果以《Engineering new limits to magnetostriction through metastability in iron-gallium alloys》为题，发表在《Nature Communications》上。
【材料的结构与制备】
图. A2 Fe1−xGax 在 (001) PMN-PT上的外延稳定性.
通过分子束外延沉积技术在1 毫米厚 (001) 取向的 PMN-PT衬底上生长了(001) 取向，含15 nm 厚的 A2 (\(\alpha\)-Fe)相，磁致伸缩的 Fe 1− x Ga x ( x = 0.215, 0.245, 0.30) 单晶薄膜。使用定量电子能量损失光谱法（EELS，Sup. Note 2）和卢瑟福背散射光谱法测得样品中的相对 Ga:Fe 浓度为 21.5 ± 3%，24.5% 和 30% Ga，远超过有序Fe 1-xGa x金属间相的形成阈值—19% Ga，但测试结果显示薄膜仍处于A2 相，外延技术使得A2相的区域得以扩展。当对薄膜进行退火处理以期促进热力学相的形成时，没有观察到任何相的变化，薄膜的磁性没有变化，只是异质结构发生了降解。
【磁电开关和增强的磁致伸缩性能】
图. 磁电开关
为了研究相结构和Ga浓度如何影响 Fe 1-xGa x薄膜的磁致伸缩性能，制备了基于Fe 1-xGa x合金薄膜的磁电开关器件。使用该器件作为接地和热引线的背面触点，沿着基板厚度方向施加电场。在角度和磁场变化下进行各向异性磁阻 (AMR) 测量，以确定磁化方向和磁各向异性。在 ±4 kV cm-1的电场下，低磁场 (50 Oe) AMR 扫描表明了正弦电阻的 90° 相移，这说明两个外加电场的磁化方向相差 90°。而在+ (−)4 kV cm−1处饱和时，磁化强度与电流方向相差大约 + (−)45°，这表明了磁化强度的方向。磁化方向与电场回路的关系可用于量化有效的逆磁电系数。
通常情况下，铁镓合金的磁致伸缩会随着镓含量的增加而增强，但体系中越来越多的Ga会诱导形成有序的原子结构，使磁致伸缩性能的增强趋于平稳并最终下降。研究团队使用的低温分子束外延工艺，可以将原子冻结在原地，防止它们在更多镓添加量时形成有序结构。此外低温分子束外延技术也有便于测量薄膜的磁致伸缩特性。
图. 通过外延稳定增强磁致伸缩系数
【结论】
总的来说，通过使用低温分子束外延工艺可以扩展所需相的稳定性，使Fe 1-xGa x合金中Ga含量增加一倍，磁致伸缩性能增加十倍，这挖掘了基于非稀土元素高性能磁致伸缩的可能性，拓展了复合多铁性材料在下一代高效计算设备中的应用范围。
Communications, 2021; 12 (1). DOI: 10.1038/s41467-021-22793-x
来源：高分子科学前沿
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