东莞材料所/松山湖材料实验室，Nature Communications！界面自旋序工程破解非晶软磁复合材料性能权衡

笔名：非晶材料团队

一、【导读】

非晶软磁复合材料（ASMCs）是高频电子器件中的重要功能材料，广泛服务于储能、功率转换与信号滤波等场景。以往，为抑制涡流损耗而引入的绝缘界面，常因磁稀释和颗粒间磁解耦导致磁导率下降。这一宏观性能权衡起源于界面材料电绝缘性与强磁性对电子结构的内在矛盾：强磁性依赖自由电子维持交换作用，而高电绝缘性要求宽禁带、抑制自由电子迁移；当界面被刻意绝缘化时，磁性交换路径也随之被中断。近日，中国科学院东莞材料科学与技术研究所柯海波研究员、汪卫华院士团队，与松山湖材料实验室、中国散裂中子源与华中科技大学等单位合作，跳出“选用强磁性绝缘相”的传统路线，提出界面自旋序工程策略：利用热-电协同激活的氧迁移过程，在异质界面构筑梯度氧缺陷功能层，从原子尺度调控界面自旋序构，实现了高磁导率与低损耗的协同优化。相关成果发表于《Nature Communications》。

二、【成果掠影】

研究团队以FeSiBCCr非晶粉末为磁性基体，以非磁性CeO₂为绝缘相，通过放电等离子烧结过程中的热-电协同激活氧迁移，在CeO₂与非晶基体之间形成约40 nm厚的梯度非晶态过渡层。该界面既维持了宏观电绝缘，又通过富Fe磁性层和氧梯度层恢复了颗粒间磁耦合，为磁通跨颗粒传导提供了原子尺度的“桥梁”。

与TiO₂绝缘样品相比，CeO₂界面样品在200 kHz下磁导率提升约150%，总损耗降低约76%，并优于强磁性的Fe₃O₄绝缘体系。此外，研究团队中国散裂中子源ERNI团队合作，利用中子兼具强穿透力和对磁矩的高敏感性，通过拟合中子散射DFI信号衰减曲线，首次成功实现非晶软磁复合材料中磁畴尺寸与颗粒间磁连通性的定量解析，揭示了CeO₂界面样品中由界面自旋构型调控的磁畴尺寸增大、磁连通性增强这一关键机制，为界面自旋序调控磁畴/界面磁连通性、进而实现宏观磁导率-损耗协同优化的因果链提供了直接证据。

研究人员进一步阐述了氧空位调控界面自旋构型的内在机制：氧空位介导的超交换作用使界面两侧的Ce与Fe原子自旋由无序或反铁磁排列转变为平行铁磁排列，从而消除跨颗粒的磁耦合壁垒。中子散射成像提供的微观磁畴证据与原子级机制相互印证，证明界面自旋序构的优化，与界面材料本身的磁性强弱同样关键。

三、【核心创新点】

从“寻找强磁性绝缘相”转向“界面自旋序工程”，绕开强磁性与电绝缘性在电子结构上的内在冲突。
在保持非晶基体不结晶的前提下，利用热-电协同激活氧迁移构筑梯度氧缺陷功能层，实现电绝缘与磁耦合的解耦设计。
利用中子暗场成像对非晶软磁复合材料磁畴尺寸与颗粒间磁连通性进行定量解析，建立“界面自旋构型—磁畴扩展—宏观性能”的直接证据链。

四、【数据概览】

图1展示该工作的设计思路：传统绝缘界面虽然降低损耗，却易形成磁通断裂；界面自旋序工程则通过梯度氧缺陷层恢复跨颗粒磁耦合。

图2显示CeO₂与非晶基体之间的界面结构。EDS与EELS共同证实界面处存在Fe-O互扩散、Ce⁴⁺/Ce³⁺价态变化及局域氧空位，这与梯度氧缺陷层的形成直接相关。

图3给出磁性能对比：与TiO2绝缘样品相比，CeO2界面样品在200 kHz下磁导率提升约150%，总损耗降低约76%，并优于强磁性的Fe3O4绝缘体系。在20 mT、100 kHz条件下，总损耗低至86 kW/m3。在直至100 ℃的温度区间内，样品的振幅磁导率、损耗和动态矫顽力均保持稳定，展现出良好的热稳定性和器件化潜力。