东莞材料所/松山湖材料实验室柯海波团队《Nature Communications》：界面自旋序工程破解非晶软磁复合材料性能权衡

第一作者：丁华平、王声翔、陈杰

通讯作者：柯海波、汪卫华

通讯单位：松山湖材料实验室

论文题目：Interfacial spin-order engineering mitigates the permeability-loss trade-off in amorphous soft magnetic composites

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-77457-5

1. 全文速览

非晶软磁复合材料是高频电子器件的重要基础材料，广泛服务于储能、功率转换和信号滤波等场景。然而，高磁导率与低损耗往往难以兼得：为抑制涡流损耗而引入的绝缘界面，通常由非磁性或弱磁性氧化物构成，容易造成磁稀释和颗粒间磁解耦，进而降低磁导率。

近日，中国科学院东莞材料科学与技术研究所/松山湖材料实验室柯海波研究员、汪卫华院士团队，联合中国散裂中子源、华中科技大学等单位，在铁基非晶软磁复合材料界面调控方面取得重要进展。研究团队提出界面自旋序工程策略，利用放电等离子烧结过程中热—电协同激活的氧迁移，在CeO₂绝缘界面构筑梯度氧缺陷功能层，把界面电子结构、自旋排列与跨颗粒磁连通串联起来，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》。

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%；在20 mT、100 kHz条件下，总损耗低至86 kW/m³。样品在直至100 ℃的温度区间内保持稳定的振幅磁导率、损耗和动态矫顽力。研究团队进一步依托中国散裂中子源ERNI团队，利用中子兼具强穿透力和对磁矩高敏感的特点，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。结果显示，CeO₂界面样品的体磁畴尺寸大于3.90 μm，粒间磁连通性更加连续，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-损耗协同优化提供了直接证据。

2. 论文亮点

（1）提出界面自旋序工程策略：利用热—电协同激活氧迁移，在CeO₂与非晶基体界面构筑梯度氧缺陷功能层，将界面电子结构、自旋排列与跨颗粒磁连通联系起来。

（2）阐明氧空位介导自旋有序机制：氧空位通过超交换作用诱导界面Ce与Fe自旋由无序或反铁磁排列转变为平行铁磁排列，消除跨颗粒磁耦合壁垒。

（3）发展非晶软磁材料磁畴的中子表征方法：利用中子暗场成像面向完整环形磁芯开展体磁畴表征，定量解析磁畴尺寸与粒间磁连通性，突破了常规宏观磁测量和表面磁表征难以直接观测体磁畴的局限。

3. 图文解读 3.1 从绝缘壁垒到磁耦合桥梁

传统界面设计通常把重点放在寻找更强磁性的绝缘相上。然而，本工作把界面拆解为“绝缘功能”和“磁连通功能”两个可设计维度：在保持电绝缘的同时，利用梯度氧缺陷层重塑界面自旋构型。

图1. 铁基非晶软磁复合材料中的界面自旋序工程。包括自旋序工程策略与传统铁磁界面方案在磁导率-损耗权衡中的对比、界面氧缺陷产生示意图，以及CeO₂包覆FeSiBCCr非晶粉末和复合材料的微观形貌与元素分布。

3.2 梯度氧缺陷界面结构

球差校正透射电镜、EDS与EELS共同证实，CeO₂与非晶基体之间形成了具有氧梯度的过渡层，并伴随Ce⁴⁺/Ce³⁺价态变化和局域氧空位。这种界面不是简单的包覆层，而是能够调控自旋排列的功能层。

图2. CeO₂绝缘非晶软磁复合材料中的界面结构。包括界面明场像、SAED/NED花样、HAADF图像、EDS/EELS元素分布、原子尺度元素分布以及局域电子结构和化学态分析。

3.3 磁导率与损耗协同优化

CeO₂界面样品在200 kHz下同时实现约150%的磁导率提升和约76%的总损耗降低，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，展现出良好的器件化潜力。

图3. 界面调控ASMCs的磁性能。包括不同氧化物界面结构与自旋构型示意图、磁滞回线、磁导率、直流偏置性能、损耗随频率和磁通密度的变化，以及与其他典型ASMCs的性能对比。

3.4 磁畴尺度的直接证据

研究团队利用中子兼具强穿透力和对磁矩高敏感的特点，将中子暗场成像用于完整环形磁芯的体磁畴表征。结果显示，CeO₂界面样品具有更大的磁畴尺寸和更连续的粒间磁连通性，为界面自旋序调控宏观性能提供了直接证据。

图4. 磁畴结构的多尺度表征。包括中子暗场成像原理、归一化DFI值随磁相关长度的变化，以及TiO₂、CeO₂和Fe₃O₄界面处的暗场像与差分相位对比（DPC）像。

3.5 原子尺度机制

第一性原理计算表明，氧空位可以改变界面局域电子结构，并通过超交换作用诱导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。由此，界面不再只是磁通路径中的“断点”，而成为促进跨颗粒磁连通的“磁性胶水”。

图5. 缺陷介导自旋有序机制。包括无氧空位与含氧空位界面的差分电荷密度图、氧空位诱导磁矩反转，以及缺氧CeO₂界面作为“磁性胶水”增强ASMCs磁连通的示意图。

4. 总结与展望

这项工作把氧空位工程、界面自旋序调控和磁畴结构优化集成到同一体系中，推动非晶软磁复合材料从“选择界面材料”走向“设计界面电子结构与自旋构型”。相关策略有望推广到其他稀土氧化物或可调氧空位界面体系，为高频电源、功率变换和信号滤波等低损耗器件提供新的材料设计框架。

5. 作者信息

共同第一作者：丁华平、王声翔、陈杰

通讯作者：柯海波（中国科学院东莞材料科学与技术研究所/松山湖材料实验室）、汪卫华（中国科学院东莞材料科学与技术研究所）

6. 引用本文

Interfacial spin-order engineering mitigates the permeability-loss trade-off in amorphous soft magnetic composites. Nature Communications, 2026. DOI: 10.1038/s41467-026-77457-5

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文作者团队支持。

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