Impact of chromium substitution on structural and magnetic properties of MnBi-based melt-spun ribbons

Kể từ sau cuộc khủng hoảng đất hiếm năm 2010, vật liệu từ MnBi đã thu hút sự quan tâm mạnh mẽ của cộng đồng khoa học vật liệu và vật lý chất rắn nhờ tiềm năng thay thế nam châm NdFeB trong các ứng dụng nhiệt độ cao. Ưu thế nổi bật của MnBi nằm ở đặc tính trường kháng từ tăng theo nhiệt độ trong khoảng 100–250°C, một đặc trưng hiếm gặp ở các vật liệu từ không chứa đất hiếm. Tuy nhiên, hiệu năng của nam châm MnBi hiện vẫn bị giới hạn bởi hàm lượng chưa cao của pha sắt từ nhiệt độ thấp (Low-Temperature Phase – LTP) cũng như giá trị tích năng lượng từ cực đại (BH)max​ còn tương đối thấp.

Để cải thiện các tính chất từ của hệ vật liệu này, nhiều hướng pha tạp nguyên tố đã được triển khai. Trong đó, các nguyên tố có nhiệt độ nóng chảy cao (High Melting Temperature Dopants – HMTP) được sử dụng nhằm thay thế vị trí Mn hoặc Bi để điều chỉnh mô-men từ và dị hướng từ tinh thể, trong khi các nguyên tố có nhiệt độ nóng chảy thấp (Low Melting Temperature Dopants – LMTP) được kỳ vọng tạo pha biên hạt, qua đó điều chỉnh các tính chất từ ngoại vi phụ thuộc cấu trúc vi mô.

Đây là nội dung nghiên cứu của bài báo ISI thuộc danh mục Q2 do nhóm tác giả gồm TS. Trần Thị Nhàn – giảng viên Vật lý, Khoa Khoa học cơ bản, Đại học Công nghiệp Hà Nội; TS. Vương Anh Kha – Trường Đại học Thủ Đô Hà Nội; cùng các cộng sự đến từ Đại học Cần Thơ, Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Đại học FPT Cần Thơ, Đại học Sư phạm Hà Nội, Đại học Điện lực và Tongji University thực hiện. Công trình được công bố trên tạp chí Journal of Metals, Materials and Minerals ngày 11/3/2026, xuất bản trong số tháng 6/2026.

Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả tập trung khảo sát ảnh hưởng của nguyên tố Crom (Cr) lên các tính chất cấu trúc và từ tính của hệ MnBi được chế tạo bằng phương pháp kéo sợi nóng chảy (melt-spinning). Nghiên cứu kết hợp giữa mô phỏng nguyên lý thứ nhất dựa trên lý thuyết phiếm hàm mật độ (Density Functional Theory – DFT) và các phép đo thực nghiệm nhằm làm sáng tỏ vai trò của Cr trong việc điều chỉnh tương tác từ vi mô của hệ vật liệu.

Về mặt lý thuyết, các phổ tán sắc phonon cho thấy toàn bộ các cấu trúc MnBi pha tạp Cr đều không xuất hiện tần số ảo, chứng tỏ hệ có độ ổn định động học cao. Các tính toán năng lượng hình thành cho thấy nguyên tử Cr có xu hướng ưu tiên thay thế vị trí Mn thay vì chiếm các vị trí xen kẽ trong mạng tinh thể. Sự thay thế này làm biến đổi đáng kể môi trường từ cục bộ, do các trạng thái điện tử Mn-3d đóng vai trò chi phối bản chất sắt từ của vật liệu. Kết quả DFT cho thấy việc pha tạp Cr có thể làm thay đổi cả mô-men từ spin lẫn mô-men từ quỹ đạo. Đáng chú ý, ở nồng độ pha tạp thấp (~5 at.%), Cr góp phần gia tăng tổng mô-men từ của hệ, trong khi ở nồng độ cao hơn (~10 at.%), độ từ hóa có xu hướng suy giảm nhẹ do sự cạnh tranh tương tác trao đổi từ.

Các kết quả thực nghiệm từ giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) xác nhận sự xâm nhập của nguyên tử Cr vào mạng tinh thể MnBi, đồng thời gây ra sự thay đổi nhỏ trong tương tác liên kết nội mạng và làm giảm nhẹ nhiệt độ Curie (TC)). Bên cạnh đó, pha tạp Cr còn góp phần tinh luyện kích thước hạt và làm gia tăng trường kháng từ (Hc). Tuy nhiên, sự gia tăng độ từ hóa tự phát (Msp)) được dự đoán từ mô phỏng DFT chưa được quan sát rõ rệt trong thực nghiệm, dẫn đến giá trị tích năng lượng từ cực đại (BH)max​ vẫn còn hạn chế.

Kết quả tối ưu hiện tại thu được đối với mẫu hợp kim Mn52.5​Cr2.5.​Bi45​ sau khi ủ ở 300°C trong 3 giờ, với hàm lượng pha sắt từ LTP đạt 65,8 wt%, độ từ hóa bão hòa đo tại 30 kOe đạt Msat=54.6emu\cdotpg−1, trường kháng từ nội tại iHc=4.2 kOe, và tích năng lượng từ cực đại đạt (BH)max⁡=3.64 MGOe.

Những kết quả này cho thấy việc điều khiển tương tác nguyên tử thông qua pha tạp nguyên tố HMTP kết hợp với tối ưu hóa cấu trúc vi mô bằng các kỹ thuật xử lý nhiệt và chế tạo phù hợp là hướng tiếp cận đầy triển vọng nhằm nâng cao hiệu năng của nam châm MnBi không chứa đất hiếm trong tương lai.

Abstract: MnBi-based magnetic materials and magnets are of significant interest due to their magnetism without rare earth elements and their ability to replace Nd-Fe-B in high-temperature magnet applications due to its unique feature of enhancing coercivity in the range of 100℃ to 250℃, enabling their energy product (BH)max comparable to NdFeB magnets despite their moderate spontaneous magnetization Msp. To adjust the magnetic properties of MnBi magnets, various elements have been doped to regulate magnetic interactions among the atoms, which subsequently alters Msp and the magneto-crystalline anisotropy energy. In this work, we investigate the effects of chromium doping on the magnetic properties of MnBi. The investigation includes the highlights of density functional theory (DFT) calculations and the results of doping experiments to elucidate the role of Cr dopant. The DFT consideration reveals the dynamic stability of Cr-doped MnBi system, the preferential substitution of Cr for Mn leading to the complicated modifications in the local magnetic environment. The experimental results shown the incorporation of Cr atoms into MnBi lattice and refine the microstructure of the melt-spun ribbons. Currently, the best magnetic properties are due to the Mn52.5Cr2.5Bi45 annealed at 300℃ for 3 h with the content of the ferromagnetic phase LTP of 65.8 wt%, the saturation magnetization measured at 30 kOe Msat = 54.6 emu∙g‒1, the coercivity iHc = 4.2 kOe but the energy product (BH)max is only 3.64 MGOe.

Keyword: Cr-doped MnBi magnetic material, DFT calculation, Magnetization, Coercivity

Toàn văn bài báo xem tại:https://doi.org/10.55713/jmmm.v36i2.2491

Một vài hình vẽ trong bài báo