尋找不含稀土元素的強力永久磁鐵是目前材料科學界最熱門趨勢，科學家致力利用鐵、氮、鎳等元素取代昂貴且開採污染嚴重的釹磁鐵。現在，一組研究團隊發現不依賴稀土元素或貴金屬的新型強磁鐵，有望大幅推動潔淨能源技術及消費性電子產品發展，如馬達、機器人、MRI 儀器、資料儲存、智慧型手機。
衡量磁鐵的一項關鍵性能指標為「磁異向性」（Magnetic anisotropy），即鐵磁性材料自旋磁矩多有偏好排列之方向，如今用於永久磁鐵的最強各向異性材料主要依賴稀土元素，但稀土元素價格昂貴，開採提取難度高，且容易受到供應鏈中斷和地緣政治影響，因此某些鐵鉑合金已成為下一代永磁技術首選磁鐵材料。
近日，美國喬治城大學團隊發現一種基於高熵硼化物的新型強力磁鐵，材料不含稀土元素和貴金屬，成為永久磁鐵材料高潛力替代品。
高熵合金是含 5 種（或更多）元素且比例接近相等的材料，其組成常形成新穎電子結構和特性，但過往此類合金研究多集中在化學無序立方結構，不適合需較低晶體對稱性的強磁各向異性。
高熵硼化物克服了此限制。
團隊目標是一種具四方對稱性的晶體結構，稱為 C16 相，已知由 2～3 個元素組成的硼基材料存在這種結構，但是否存於更複雜材料尚未釐清，研究人員於是引入多種 3d 過渡金屬並使用共濺鍍法合成高熵硼化物，多種靶材料原子在加熱基板上完全混合，成功建立一類新型有序高熵磁性材料。
新發現的五元硼化物表現接近稀土磁鐵的強磁各向異性，理論計算也證實實驗趨勢並確定良好電子結構。
一台電動車永磁馬達可能含 2～3 公斤稀土元素，一台海上風力發電機則需數噸，若能換成地球含量更豐富的低價元素實現強磁各向異性，成本將明顯降低，加速產品普及且進一步提升能源效率，材料供應也不再受制單一國家。
（首圖為示意圖，來源：AI 生成）
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