高压下α″-Fe16 N2 的结构、磁性与力学性能演变机制及其临界相变研究

　　本文针对α″-Fe16 N2 高压物性研究空白，通过第一性原理计算系统揭示了其结构稳定性（临界压力PC =61.2 GPa）、磁性起源（dz 2 /dx 2 -y 2 电子主导）及反常弹性软化现象，为无稀土永磁材料设计提供理论依据。

　　

在磁性材料研究领域，α″-Fe₁₆
N₂
因其惊人的"巨磁矩"现象（Fe原子磁矩高达3.5 μ_B
）被誉为无稀土永磁材料的希望之星。自1951年Jack首次合成以来，这种具有超高饱和磁化强度（M_S
达3.2 T）的材料就引发持续关注。然而其亚稳态特性导致实验重复性差，理论预测与实验结果长期存在矛盾——传统局域自旋密度近似（LSDA）计算始终无法复现实验观测的高磁矩值。更关键的是，高压环境下这种材料的物性演变规律完全未知，这严重制约了其极端条件应用潜力。

为解决这些问题，辽宁某高校的研究团队采用密度泛函理论（DFT）方法，首次系统揭示了α″-Fe₁₆
N₂
在高压下的结构-性能关系。研究发现当压力达到61.2 GPa时材料会发生铁磁性坍塌（P_C
），并伴随弹性模量异常软化和声子谱特征突变。这项发表于《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》的工作，不仅阐明了巨磁矩的电子结构起源（d_z
²
和d_x
²
_-y
²
轨道主导），更建立了压力调控材料性能的定量关系，为开发新型高压磁性器件提供了关键参数。

研究方法上，团队采用投影缀加波（PAW）方法和广义梯度近似（PBE-GGA）泛函，通过VASP软件包完成计算。设置600 eV截断能和8×8×7 k点网格，对Fe-3d⁷
4s¹
和N-2s²
2p³
价电子构型进行精确描述。力学性能通过弹性常数张量分析，晶格动力学特性则通过声子谱计算验证。

结果与讨论

1. 结构特性：零压下晶格常数c/a=1.095（c=6.223 ?，a=5.681 ?）与实验值吻合。4d位Fe原子贡献最大磁矩（2.72 μ_B
   ），而4e位最小（1.89 μ_B
   ）。
2. 磁性演变：临界压力P_C
   =61.2 GPa时发生铁磁-顺磁转变，磁矩衰减与d电子自旋极化减弱直接相关。
3. 晶格动力学：P_C
   以下声子谱无虚频，证实动力学稳定性。高压下不同Fe位点呈现显著振动各向异性。
4. 力学性能：B/G比值和泊松比表明材料具有优异延展性，但弹性模量在P_C
   附近出现反常软化。

结论与意义
该研究首次绘制出α″-Fe₁₆
N₂
的高压相图，揭示其铁磁性崩溃的临界阈值（61.2 GPa）与电子轨道重构的关联机制。特别重要的是发现4d位Fe原子通过d_z
²
/d_x
²
_-y
²
电子自旋极化对巨磁矩起决定性作用。弹性软化和声子异常现象为压力传感器材料设计提供了新思路。研究成果不仅解决了长期存在的理论实验偏差问题，更建立了压力调控磁性能的定量模型，对开发极端环境用无稀土磁性材料具有重要指导价值。