中科院刘剑Acta Mater.：La-Fe-Si磁热合金的X射线吸收光谱研究

【引言】

基于磁热效应（MCE）的磁制冷是一种比传统蒸汽压缩更具有高潜力的新兴技术。在磁热材料中，NaZn₁₃型La(Fe，Si)₁₃基化合物由于其可调的居里温度（Tc），巨大的MCE，无毒性和低成本等优点被认为是有希望的候选材料。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来稳定NaZn₁₃相的结构。随着LaFe_13-xSi_x（x≤1.4）化合物中Si含量的降低，获得纯单相合金和实现1：13的相组成变得更加困难。最近有学者从局域原子角度揭示La-Fe-Si（-H）合金的晶格结构并解释了其与宏观性质的关系。

【成果简介】

近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所的刘剑教授 (通讯作者)等人在Acta Mater.上发布了一篇关于金属氧化物的文章，题为“An x-ray absorption spectroscopy study of La-Fe-Si(-H) magnetocaloric alloys”。 作者通过X射线吸收精细结构(XAFS)技术对示La-Fe-Si合金的晶格结构进行了研究。研究结果表明，根据La L3-edge和Fe K-edge扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）光谱的空间分析曲线拟合分析，发现间隙氢原子优先占据24d位，不受第二阶段的存在的影响。 La原子的X射线吸收边缘结构（XANES）光谱证实了价电子从氢转移到Fe，表明电子结构与吸氢能力密切相关。Fe与Si的杂化效应对La-Fe-Si合金的居里温度(Tc)起主导作用，但影响有限。该研究建立了La-Fe-Si（-H）合金局部结构与上述性能之间的相关性。

【图片导读】

图1 母相La-Fe-Si和氢化相La-Fe-Si-H的原子结构示意图

氢化后La-Fe-Si保持NaZn13型立方结构。氢原子占据24d位点，由4个FeII / Si和2个La相邻组成的八面体的中心

图2 LaFe11.6Si1.4，LaFe13.9Si1.4及其相应氢化物的XRD图谱

蓝色正方形和红色圆圈的符号分别表示1:13和α-Fe相。

图3 La L3-edge and Fe K-edge的EXAFS光谱

(a c) 径向分布函数（RDF）；

(b d) a和c中由矩形标记区域分别在图3b和d中放大。

图4 逆傅立叶变换光谱

(a) La L3-边逆变换k空间EXAFS光谱；

(b) Fe K-边逆变换k空间EXAFS光谱；

(c) La L3-边R空间EXAFS谱；

(d) Fe K-边R空间EXAFS谱。

图5 Fe-Fe的相对变化图

(a) LaFe_11.6Si_1.4化合物及其氢化物上Fe-Fe键的长度；

(b) 长度变化；

(c) Fe-Fe键的相对变化。

图6 XANES图

(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光谱；

(b) 矩形区域的放大图像。

【小结】

本文系统地研究了La-Fe-Si磁热合金的X射线吸收光谱，结论总结如下；

(1) 氢原子优先占据24d位置，Fe/Si比率的增加和二次α-Fe相的包含不会影响氢原子的占据特征
(2) 氢化后La L3-dege的前峰强度降低，表明电子转移，从而解释了当地环境对氢吸收能力的影响。
(3) Fe和Si的杂化对La-Fe-Si合金的Tc起主导作用，但对La-Fe-Si-H合金的影响有限。

文献链接：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）

本文由材料人编辑部金属学术组jcfxs01供稿，材料牛编辑整理。

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