中科院劉劍Acta Mater.：La-Fe-Si磁熱合金的X射線吸收光譜研究

【引言】

基于磁熱效應（MCE）的磁制冷是一種比傳統蒸汽壓縮更具有高潛力的新興技術。在磁熱材料中，NaZn₁₃型La(Fe，Si)₁₃基化合物由于其可調的居里溫度（Tc），巨大的MCE，無毒性和低成本等優點被認為是有希望的候選材料。由于二元La-Fe相的形成焓是正的，因此需要少量添加如Si或Al來穩定NaZn₁₃相的結構。隨著LaFe_13-xSi_x（x≤1.4）化合物中Si含量的降低，獲得純單相合金和實現1：13的相組成變得更加困難。最近有學者從局域原子角度揭示La-Fe-Si（-H）合金的晶格結構并解釋了其與宏觀性質的關系。

【成果簡介】

近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所的劉劍教授 (通訊作者)等人在Acta Mater.上發布了一篇關于金屬氧化物的文章，題為“An x-ray absorption spectroscopy study of La-Fe-Si(-H) magnetocaloric alloys”。 作者通過X射線吸收精細結構(XAFS)技術對示La-Fe-Si合金的晶格結構進行了研究。研究結果表明，根據La L3-edge和Fe K-edge擴展X射線吸收精細結構（EXAFS）光譜的空間分析曲線擬合分析，發現間隙氫原子優先占據24d位，不受第二階段的存在的影響。 La原子的X射線吸收邊緣結構（XANES）光譜證實了價電子從氫轉移到Fe，表明電子結構與吸氫能力密切相關。Fe與Si的雜化效應對La-Fe-Si合金的居里溫度(Tc)起主導作用，但影響有限。該研究建立了La-Fe-Si（-H）合金局部結構與上述性能之間的相關性。

【圖片導讀】

圖1 母相La-Fe-Si和氫化相La-Fe-Si-H的原子結構示意圖

氫化后La-Fe-Si保持NaZn13型立方結構。氫原子占據24d位點，由4個FeII / Si和2個La相鄰組成的八面體的中心

圖2 LaFe11.6Si1.4，LaFe13.9Si1.4及其相應氫化物的XRD圖譜

藍色正方形和紅色圓圈的符號分別表示1:13和α-Fe相。

圖3 La L3-edge and Fe K-edge的EXAFS光譜

(a c) 徑向分布函數（RDF）；

(b d) a和c中由矩形標記區域分別在圖3b和d中放大。

圖4 逆傅立葉變換光譜

(a) La L3-邊逆變換k空間EXAFS光譜；

(b) Fe K-邊逆變換k空間EXAFS光譜；

(c) La L3-邊R空間EXAFS譜；

(d) Fe K-邊R空間EXAFS譜。

圖5 Fe-Fe的相對變化圖

(a) LaFe_11.6Si_1.4化合物及其氫化物上Fe-Fe鍵的長度；

(b) 長度變化；

(c) Fe-Fe鍵的相對變化。

圖6 XANES圖

(a) LaFe_11.40Si_1.46，LaFe_11.53Si_1.41，LaFe_11.40Si1.46H1.7和LaFe11.53Si1.41H1.8化合物的Fe K-edge XANES光譜；

(b) 矩形區域的放大圖像。

【小結】

本文系統地研究了La-Fe-Si磁熱合金的X射線吸收光譜，結論總結如下；

(1) 氫原子優先占據24d位置，Fe/Si比率的增加和二次α-Fe相的包含不會影響氫原子的占據特征
(2) 氫化后La L3-dege的前峰強度降低，表明電子轉移，從而解釋了當地環境對氫吸收能力的影響。
(3) Fe和Si的雜化對La-Fe-Si合金的Tc起主導作用，但對La-Fe-Si-H合金的影響有限。

文獻鏈接：An x-ray absorption spectroscopy study of La-Fe-Si(-H) magnetocaloric alloys (Acta Mater., 10 March, 2018 , DOI: 10.1016/j.actamat.2018.03.006）

本文由材料人編輯部金屬學術組jcfxs01供稿，材料牛編輯整理。

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