锰基系列化合物Mn3XN(C)的近零电阻温度系数行为和近零热膨胀性质的调控

"反钙钛矿"结构化合物M3XN(C)已发现具有超导、巨磁阻、近零电阻温度系数、负膨胀，压磁效应和磁致伸缩，负磁热效应等丰富的物理性质。这些性质可能来源于该材料体系具有复杂的磁有序结构，以及随温度变化引起的复杂重排-磁相变。此特征导致了反常电输运与反常晶格变化。该课题研究其化合物成相规律，调制其微观结构，发现新物相，重点探讨反常电输运性质和晶格收缩行为，及其机理、产生条件与可能的调控方法，开发近零膨胀和近零电阻温度系数功能材料，以及"电荷-自旋-晶格"之间的关联及其随温度的变化。从材料设计、合成、组分变化、结构分析到电、磁、热物性测量，并采用实验与计算模拟相结合，探讨这类化合物的结构与物性，以及在温度场，磁场，高压下的响应。这将有助于对这类材料的晶体（磁）结构与呈现的丰富的电、磁等物性的关联关系获得更加全面、深刻的认识。

利用真空封管固相烧结法合成了Mn3XN(C)系列材料，利用高低温X射线衍射仪器、中子衍射结合Rietveld精修、以及第一性原理计算等方法，重点研究了该类化合物中的近零（负）热膨胀、近零电阻温度系数等行为以及调控机制，尤其是组分变化对晶格、自旋有序和电阻反常变化及其关联性的影响，并给出了该类化合物中自旋-晶格强关联的直接实验证据。在该项目资助下,我们获得如下创新性成果：（1）发现并研究了反钙钛矿Mn3(Zn, M)xN(M=Ag, Ge)、Mn3+xNi1-xN等化合物磁相变温区附近的负热膨胀和磁有序温区内的近零热膨胀特性产生机理。通过中子衍射方法解析磁结构，将晶格常数反常变化和磁矩的比值（Δa/M）随温度变化进行拟合，获得了调控近零热膨胀机制的Mn有序磁矩值和晶格差的量化关系，由此证实晶格常数反常变化和自旋有序间存在强耦合关系。该类化合物的近零热膨胀是由磁有序引起的负热膨胀和声子热振动引起的正热膨胀相互抵消引起。因此在此类化合物中，可通过调节磁矩或声子贡献，获得近零热膨胀。（2）通过在反钙钛矿化合物中进行元素掺杂或引入空位，获得了多种低热膨胀和负热膨胀材料，并研究了反常热膨胀与磁、电输运性质的关联关系。（3）在Mn3Sn1-εSiεC1-δ体系中，发现一种“方形”的反铁磁磁结构同样可引起反常热膨胀效应，磁矩与晶格变化的定量关系在该体系中依然成立。与Γ5g体系不同的是，该磁结构原胞是一个超晶格原胞，波矢k=(1/2 1/2 0)在低温时会出现超晶格的衍射峰。（4）在Mn3NiN和Mn3AgN基化合物中，通过元素成分和引入空位等多种手段，实现了近零电阻温度系数行为的调控，并证实该类化合物近零电阻温度系数行为源于自旋无序散射作用。（5）在Mn3ZnN和Mn3AgN等化合物中掺杂磁性元素Co，发现此类化合物矫顽力可高达48000 Oe，是目前为止在反钙钛矿体系发现的矫顽力最大的一类化合物。在Acta Materialia、Phys. Rev. B、 Appl. Phys. Lett.、Inorg. Chem.等学术期刊上发表文章15篇，其中SCI收录14篇，影响因子在2.0以上的有11篇。