Ce1?xLaxFe2的结构稳定性、电子结构、磁性质和弹性性质：基于第一性原理的研究

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Structural stability, electronic structure, magnetic properties and elastic properties of Ce1?xLaxFe2: A first-principles study

镧掺杂抑制CeFe2相形成机制研究：基于第一性原理计算，系统揭示了La掺杂通过破坏CeFe2相的热力学稳定性和电子结构协同效应抑制其生成。研究显示，随着La替代量增加，CeFe2相的形成能升高，Fe 3d-Ce 4f轨道杂化减弱，弹性参数分析表明机械稳定性保持，但LaFe2相最不稳定。该成果为优化稀土基永磁材料提供理论依据。

　　稀土元素在磁性材料中的应用一直是一个重要的研究领域，特别是在钕铁硼（Nd-Fe-B）永磁材料中。自20世纪80年代发现以来，这类材料因其优异的磁性能迅速占据了全球永磁市场超过60%的份额。然而，Nd-Fe-B磁体的生产过程中，大量消耗了关键的稀土元素如镨（Pr）、钕（Nd）、镝（Dy）和铽（Tb），这不仅导致了这些元素的供应紧张，也推高了市场价格。为了缓解这种资源利用的不平衡问题，科学家们开始探索将成本较低且储量丰富的稀土元素如铈（Ce）和镧（La）引入Nd-Fe-B磁体中，以期在保持磁性能的同时降低对稀缺元素的依赖。

在含Ce的合金中，CeFe?相的存在对磁性能产生了不利影响。这一相在高温下具有较高的稳定性，但其在室温下表现出反磁性，这会显著削弱合金的整体磁性。因此，抑制CeFe?相的形成成为提升Ce-Fe-B磁体性能的关键目标之一。近年来，许多研究尝试通过添加其他元素如Ge、Al、Cu等来调控CeFe?相的形成和分布，但这些方法的效果仍然有限。与此同时，La的掺杂被发现能够有效抑制CeFe?相的生成，从而提高磁体的矫顽力和剩磁。然而，尽管La的掺杂对磁体性能有积极影响，但在某些情况下，如热变形磁体中，CeFe?相仍然可能重新出现，这表明其形成机制仍需深入研究。

本研究通过第一性原理计算，系统地分析了La掺杂对CeFe?相的结构稳定性、电子结构、磁性和弹性性能的影响。研究团队采用密度泛函理论（DFT）作为计算基础，使用Vienna Ab Initio Simulation Package（VASP）进行计算，结合投影增强波（PAW）方法，对CeFe?的晶体结构进行了详细模拟。计算过程中，采用了Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）泛函来描述交换-关联能，并通过设置450 eV的截断能量和4×4×4的k点网格对布里渊区进行了采样。这些计算方法为深入理解La掺杂对CeFe?相的影响提供了坚实的理论基础。

研究发现，随着La掺杂量的增加，CeFe?的形成能逐渐升高，这表明其热力学稳定性受到削弱。此外，La的引入显著降低了Fe-3d和Ce-4f轨道之间的杂化程度，从而影响了CeFe?相的电子结构稳定性。电子结构的变化直接关系到材料的磁性能，因此，La掺杂对CeFe?相的抑制作用不仅体现在结构层面，也涉及电子行为的改变。这些发现进一步解释了为什么La的掺杂能够有效抑制CeFe?相的形成，从而提升磁体的磁性能。

在弹性性能方面，研究团队分析了不同La掺杂浓度下CeFe?相的机械稳定性。结果显示，尽管所有掺杂体系均保持机械稳定，但LaFe?的稳定性最弱，表明La的引入对材料的弹性特性产生了显著影响。这种机械稳定性的变化可能与La在晶格中的分布及其与Fe和Ce之间的相互作用有关，而这些相互作用在不同的掺杂浓度下表现出不同的特征。

通过这些计算，研究团队揭示了La掺杂如何通过破坏CeFe?相的热力学稳定性和电子结构协同作用，从而有效抑制其形成。这一机制为优化Ce基合金材料的磁性能提供了新的思路，同时也为未来实验研究提供了理论指导。研究还指出，La的掺杂偏好占据CeFe?中的特定晶格位置，这可能与La与Ce之间的原子半径差异以及电子结构的匹配度有关。此外，La的掺杂还可能通过改变晶格参数，影响CeFe?相的形成温度范围，从而进一步调控其在磁体中的分布。

本研究不仅验证了La掺杂对CeFe?相的抑制作用，还深入探讨了其背后的物理机制。通过对比不同La掺杂浓度下的结构、电子和磁性能，研究团队为理解La在Ce基磁体中的作用提供了全面的视角。这些发现对于开发新型高性能磁体具有重要意义，尤其是在当前全球稀土资源日益紧张的背景下，寻找替代或补充的稀土元素成为材料科学领域的重要课题。

研究结果还表明，La的掺杂虽然能够有效抑制CeFe?相的形成，但在某些特定的加工条件下，如高温烧结过程中，CeFe?相仍可能重新出现。这提示在实际应用中，除了考虑La的掺杂比例外，还需要综合考虑材料的制备工艺和加工条件，以确保CeFe?相不会在最终磁体中出现。此外，研究团队还发现，La的掺杂对CeFe?相的抑制效果与掺杂浓度密切相关，这意味着在设计磁体时，需要精确控制La的掺杂量，以达到最佳的磁性能提升效果。

本研究的结论不仅为Ce基磁体的优化提供了理论支持，也为未来相关材料的研究开辟了新的方向。通过第一性原理计算，科学家们能够更准确地预测和调控磁体的性能，这为开发新型磁性材料奠定了基础。同时，研究还强调了实验验证的重要性，指出理论计算的结果需要与实验数据相结合，以全面理解La掺杂对磁体性能的影响。

总之，La掺杂在抑制CeFe?相形成方面展现出显著的效果，其作用机制涉及热力学稳定性、电子结构协同性和机械性能的多重因素。这些发现不仅有助于提升Ce-Fe-B磁体的磁性能，也为稀土资源的可持续利用提供了新的解决方案。未来的研究可以进一步探索La与其他元素的协同作用，以及如何通过优化掺杂策略来实现磁体性能的最大化。此外，研究团队还建议，可以通过调整材料的合成和加工条件，进一步减少CeFe?相的生成，从而提高磁体的整体性能。