Atomic Ordering in Fe2NiZ (Z = Al, Ga, In, Sn) Alloys: Effects on the Anisotropy and Properties of the Ground State

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The effect of atomic configurations on the magnetic and structural properties of Fe2NiZ (Z = Al, Ga, In, Sn) Heusler alloys has been studied within the density functional theory. The competition between five structural motifs of the cubic phase due to permutations of Fe and Ni atoms is discussed. A new structure of the cubic phase with layer-by-layer atomic ordering of Fe and Ni atoms in the ground state is predicted. In this structural modification, the considered compounds have high magnetocrystalline anisotropy values that several times exceed the values for the FeNi alloy with tetragonal symmetry.

About the authors

V. V. Sokolovskiy

Chelyabinsk State University; National Universy of Science and Technology MISiS

Email: vsokolovsky84@mail.ru
Chelyabinsk, 454001 Russia; Moscow, 119049 Russia

O. N. Miroshkina

University of Duisburg-Essen

Email: vsokolovsky84@mail.ru
Duisburg, 47057 Germany

V. D. Buchelnikov

Chelyabinsk State University

Email: vsokolovsky84@mail.ru
Chelyabinsk, 454001 Russia

M. E. Gruner

University of Duisburg-Essen

Author for correspondence.
Email: vsokolovsky84@mail.ru
Duisburg, 47057 Germany

References

  1. Kuz’min M.D., Skokov K.P., Jian H., Radulov I., Gutfleisch O. Towards high-performance permanent magnets without rare earths // J. Phys. Condens. Matter. 2014. V. 26. № 6. P. 064205.
  2. McCallum R.W., Lewis L.H., Skomski R., Kramer M.J., Anderson I.E. Practical aspects of modern and future permanent magnets // Annu. Rev. Mater. Res. 2014. V. 44. P. 451–477.
  3. Niarchos D., Giannopoulos G., Gjoka M., Sarafidis C., Psycharis V., Rusz J., Edström A.A., Eriksson O., Toson P., Fidler J., Anagnostopoulou E., Sanyal U., Ott F., Lacroix L.M., Viau G., Bran C., Vazquez M., Reichel L., Schultz L., Fähler S. Toward rare-earth-free permanent magnets: a combinatorial approach exploiting the possibilities of modeling, shape anisotropy in elongated nanoparticles, and combinatorial thin-film approach // JOM. 2015. V. 67. № 6. P. 1318–1328.
  4. Hirosawa S. Current status of research and develop- ment toward permanent magnets free from critical elements // J. Magn. Soc. Jpn. 2015. V. 39. № 3. P. 85–95.
  5. Skomski R., Coey J.M.D. Magnetic anisotropy–How much is enough for a permanent magnet? // Scr. Mater. 2016. V. 112. P. 3–8.
  6. Li D., Pan D., Li S., Zhang Z. Recent developments of rare-earth-free hard-magnetic materials // Sci. China Phys. Mech. Astron. 2016. V. 59. № 1. P. 617501.
  7. Skokov K.P., Gutfleisch O. Heavy rare earth free, free rare earth and rare earth free magnets-Vision and reality // Scr. Mater. 2018. V. 154. P. 289–294.
  8. Edström A., Chico J., Jakobsson A., Bergman A., Rusz J. Electronic structure and magnetic properties of L10 binary alloys // Phys. Rev. B. 2014. V. 90 № 1. P. 014402.
  9. Werwin’ski M., Marciniak W. Ab initio study of magnetocrystalline anisotropy, magnetostriction, and Fermi surface of L10 FeNi (tetrataenite) // J. Phys. D: Appl. Phys. 2017. V. 50. № 49. P. 495008.
  10. Tian L.-Y., Levamäki H., Eriksson O., Kokko K., Nagy Á., D’elczeg-Czirjak E.K., Vitos L. Density Functional Theory description of the order-disorder transformation in Fe- Ni // Sci. Rep. 2019. V. 9. № 1. P. 1–7.
  11. Bhattacharjee S., Lee S.-C. First-principles study of the complex magnetism in Fe16N2 // Sci. Rep. 2019. V. 9. № 1. P. 1–9.
  12. Reichel L., Schultz L., Pohl D., Oswald S., Fahler S., Werwin’ski M., Edström A., Delczeg-Czirjak E.K., Rusz J. From soft to hard magnetic Fe–Co–B by spontaneous strain: a combined first principles and thin film study // J. Condens. Matter Phys. 2015. V. 27. № 47. P. 476002.
  13. Delczeg-Czirjak E.K., Edström A., Werwin’ski M., Rusz J., Skorodumova N.V., Vitos L., Eriksson O. Stabilization of the tetragonal distortion of FexCo1 – x alloys by C impurities: A potential new permanent magnet // Phys. Rev. B. 2014. V. 89. № 14. P. 144403.
  14. Werwin’ski M., Edström A., Rusz J., Hedlund D., Gunnarsson K., Svedlindh P., Cedervall J., Sahlberg M. Magnetocrystalline anisotropy of Fe5PB2 and its alloys with Co and 5d elements: A combined first-principles and experimental study // Phys. Rev. B. 2018. V. 98. № 21. P. 214431.
  15. Werwin’ski M., Kontos S., Gunnarsson K., Svedlindh P., Cedervall J., Höglin V., Sahlberg M., Edström A., Eriksson O., Rusz J. Magnetic properties of Fe5SiB2 and its alloys with P, S, and Co // Phys. Rev. B. 2016. V. 93. № 17. P. 174412.
  16. Edström A., Werwiński M., Iuşan D., Rusz J., Eriksson O., Skokov K.P., Radulov I.A., Ener S., Kuz’min M.D., Hong J. et al. Magnetic properties of (Fe1 – xCox)2B alloys and the effect of doping by 5d elements // Phys. Rev. B. 2015. V. 92. № 17. P. 174413.
  17. Herper H.C. Ni-based Heusler compounds: How to tune the magnetocrystalline anisotropy // Phys. Rev. B. 2018. V. 98. № 1. P. 014 411.
  18. Gao Q., Opahle I., Gutfleisch O., Zhang H. Designing rare-earth free permanent magnets in Heusler alloys via interstitial doping // Acta Mater. 2020. V. 186. P. 355–362.
  19. Matsushita Y.I., Madjarova G., Dewhurst J.K., Shallcross S., Felser C., Sharma S., Gross E.K.U. Large magnetocrystalline anisotropy in tetragonally distorted Heuslers: a systematic study // J. Phys. D: Appl. Phys. 2017. V. 50. № 9. P. 095002.
  20. Sokolovskiy V.V., Miroshkina O.N., Buchelnikov V.D., Gruner M.E. Impact of local arrangement of Fe and Ni on the phase stability and magnetocrystalline anisotropy in Fe–Ni–Al Heusler alloys // Phys. Rev. Mater. 2022. V. 6. № 2. P. 025402.
  21. Kresse G., Furthmüller J. Efficient iterative schemes for ab initio total-energy calculations using a plane- wave basis set // Phys. Rev. B. 1996. Oct. V. 54. P. 11 169–11 186.
  22. Kresse G., Joubert D. From ultrasoft pseudopotentials to the projector augmented-wave method // Phys. Rev. B. 1999. V. 59. P. 1758.
  23. Perdew J. P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized Gradient Approximation Made Simple // Phys. Rev. Lett. 1996. V. 77. P. 3865.
  24. Neibecker P., Gruner M.E., Xu X., Kainuma R., Petry W., Pentcheva R., Leitner M. Ordering tendencies and electronic properties in quaternary Heusler derivatives // Phys. Rev. B. 2017. V. 96. № 16. P. 165131.
  25. Wu R., Freeman A.J. Spin-orbit induced magnetic phenomena in bulk metals and their surfaces and interfaces // J. Magn. Magn. Mater. 1999. V. 200. № 1. P. 498–514.
  26. Bruno P. Tight-binding approach to the orbital magnetic moment and magnetocrystalline anisotropy of transition-metal monolayers // Phys. Rev. B. 1989. V. 39. № 1. P. 865.
  27. Paulevé J., Chamberod A., Krebs K., Bourret A. Magnetization curves of Fe–Ni (50–50) single crystals ordered by neutron irradiation with an applied magnetic field // J. Appl. Phys. 1968. V. 39. № 2. P. 989–990.
  28. Poirier E., Pinkerton F.E., Kubic R., Mishra R.K., Bordeaux N., Mubarok A., Lewis L.H., Goldstein J.I., Skomski R., Barmak K. Intrinsic magnetic properties of L10 FeNi obtained from meteorite NWA 6259 // J. Appl. Phys. 2015. V. 117. № 17. P. 17E318.
  29. Lewis L.H., Pinkerton F.E., Bordeaux N., Mubarok A., Poirier E., Goldstein J.I., Skomski R., Barmak K. De Magnete et Meteorite: Cosmically Motivated Materials // IEEE Magn. Lett. 2014. V. 5. P. 1–4.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (583KB)
3.

Download (2KB)
4.

Download (2KB)
5.

Download (2KB)
6.

Download (2KB)
7.

Download (516KB)
8.

Download (676KB)
9.

Download (460KB)


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».