室温赫斯勒铁磁体CuMnCrAl、NiFeCrAl、Ni0.5 Fe1.5 CrAl的实验与理论研究：Co2 CrAl的等价电子替代及其自旋电子学应用潜力

　　本研究针对Co2 CrAl赫斯勒化合物中钴元素成本高、居里温度（TC ）偏低的问题，通过等价电子替代策略设计出新型室温铁磁体CuMnCrAl（TC =354 K）、NiFeCrAl（TC =541 K）和Ni0.5 Fe1.5 CrAl（TC =465 K）。结合X射线衍射（XRD）、穆斯堡尔谱和密度泛函理论（DFT）计算，证实其具有F4?3m晶体结构和亚铁磁有序特性，为低成本自旋电子器件材料开发提供新思路。

　　

在磁性材料研究领域，赫斯勒合金（Heusler alloys）因其独特的电子结构和磁学性质备受关注。1903年由Fritz Heusler发现的Cu₂
MnAl化合物首次揭示了非磁性元素组合产生铁磁性的现象，开辟了新型磁性材料的设计思路。其中，Co₂
CrAl因具备半金属铁磁（HMF）特性和接近室温的居里温度（308-318 K），被视为自旋电子学器件的候选材料。然而，钴元素的高成本和磁性温度不足制约了其实际应用。

为解决这一难题，来自University of Silesia的研究团队Jerzy Goraus等人提出了创新的材料设计策略——通过等价电子替代（aliovalent substitution）保留价电子数（VEC），用周期表相邻元素（Cu/Mn/Ni/Fe）替代昂贵的钴。他们成功合成出CuMnCrAl、NiFeCrAl和Ni_0.5
Fe_1.5
CrAl三种新型化合物，其居里温度分别提升至354 K、541 K和465 K，相关成果发表在《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》。

研究采用电弧熔炼法制备多晶样品，通过X射线衍射（XRD）结合Rietveld精修确定晶体结构，利用超导量子干涉仪（SQUID）测量磁化强度，结合穆斯堡尔谱分析局域磁环境，并开展全相对论密度泛函理论（DFT）计算验证电子结构。

【晶体结构】
XRD分析证实所有化合物均结晶于F4?3m空间群（No.216），存在三种可能的原子排列方式。对于NiFeCrAl，研究通过对比实验数据与DFT计算能量，确定4a(Ni)-4b(Fe)-4c(Cr)-4d(Al)为最稳定构型，晶格常数5.78 ?与理论预测吻合。

【磁性性质】
磁化曲线显示CuMnCrAl在300 K下具有0.6 μ_B
/f.u.的饱和磁矩和2 mT的矫顽场，证实其室温铁磁性。NiFeCrAl表现出更高的T_C
（541 K），但磁矩仅1.2 μ_B
/f.u.，远低于Slater-Pauling规则预测值（VEC-24），暗示存在亚铁磁耦合。

【穆斯堡尔谱】
NiFeCrAl的谱图拟合显示三种铁位点环境：具有超精细磁场（~10 T）的有序铁原子、四极双峰（QS=0.8 mm/s）和单线态，证实部分铁原子参与形成反平行磁矩，支持亚铁磁有序模型。

【DFT计算】
全相对论计算否定了CuMnCrAl的半金属性，但发现NiFeCrAl在特定原子排列下可实现HMF特性。无序结构模拟表明，即使完全无序状态仍保留磁矩，但数值高于实验观测，说明实际样品存在部分有序。

该研究通过精准的电子结构调控，不仅将赫斯勒合金的居里温度提升70%以上，还揭示了亚铁磁耦合对磁性能的关键影响。NiFeCrAl的T_C
（541 K）与理论预测（566 K）高度吻合，证实了计算模型的可靠性。尽管CuMnCrAl未实现半金属性，但其室温铁磁性和低成本优势为传感器应用提供可能。研究还发现四元固溶体Cu_0.5
Mn_0.5
Ni_0.5
Fe_0.5
CrAl的磁有序温度骤降至77.5 K，暗示高熵效应对磁性能的抑制作用，为后续成分设计提供重要参考。这些发现推动了赫斯勒合金在自旋阀、磁存储器等器件中的应用进程。