反钙钛矿结构Mn3Ga1-xSnxN(C)化合物磁结构及关联物性的尺寸效应研究

In recent years, antiperovskite compounds Mn3XN(C)(X = Cu, Zn, Ga, Ni, etc.) have gained lots of attention due to the discovery of negative (near zero) thermal expansion, magnetocaloric effect, giant magnetoresistance, giant magnetostriction, and so on. Until now, the optimization of these physical properties in antiperovskite compounds with single phase is mainly focused on the element doping. Although the effect of crystallite size has been adopted to tune the magnetic properties and thermal expansion behavior in the individual antiperovskite compounds, the systemic and in-depth research is still rare. Due to the strong correlation of “spin-lattice-charge”, the effect of crystallite size could induce the variation of magnetism and further tune the related physical properties. By studying the typical antiperovskite compounds Mn3Ga1-xSnxN(C), this project aims to reveal the effect of crystallite size on the different magnetic structures (collinear ferromagnetic, collinear antiferromagnetic, noncollinear ferrimagnetic, noncollinear antiferromagnetic) and related physical properties. Combining with the neutron powder diffraction technique, we will resolve the evolution of magnetic structures and corresponding magnetic ordering process of antiperovskite compounds with different crystallize size, and further study the effect of crystallize size on negative (near zero) thermal expansion, giant magnetoresistance and magnetocaloric effect, revealing the tuning rules and the physical mechanisms of crystallize size on the physical properties of antiperovskite compounds. Simultaneously, the way by varying the crystallize size, combining with element doping, will strengthen our understanding of strongly correlated electron systems. This project will provide new ideas and theoretical basis for exploring new functional materials.

反钙钛矿结构化合物Mn3XN(C)由于具有负（近零）热膨胀、磁卡、巨磁阻、磁致伸缩等丰富的物理性质，近年来受到了学术界的广泛关注。目前，该类化合物单相物性的优化调控研究主要集中在元素掺杂；尽管尺寸效应对其磁性和热膨胀行为的调控已有个别报道，但缺乏系统深入的研究。由于反钙钛矿化合物中“自旋-晶格-电荷”强关联，尺寸效应可改变其磁性进而调控物性。本课题选择Mn3Ga1-xSnxN(C)这种典型的反钙钛矿化合物，对不同磁结构类型（共线铁磁、反铁磁，非共线亚铁磁、反铁磁）及其关联物性进行尺寸效应研究。结合中子粉末衍射技术，研究不同磁结构类型的磁有序化过程和磁结构本身随晶粒尺寸的演变规律，重点探究负（近零）热膨胀、磁卡、巨磁阻特性受尺寸效应的影响，揭示其物性调控规律和机制。同时，将尺寸效应和元素掺杂有效结合，不仅能够加强对强关联电子体系的认识，还为探索新型功能材料提供了新的思路和理伦依据。

反钙钛矿结构化合物Mn3XN(C)由于具有负（近零）热膨胀、巨磁阻、磁卡、磁致伸缩等丰富的物理性质正成为新的研究热点，为开发新型功能材料开辟了另外一片广阔的天地。在本项目的资助下，项目研究人员通过国际、国内合作，主要围绕反钙钛矿碳化物和氮化物的磁结构及其关联物性开展研究，取得了一些原创性成果，主要包括：.1、开展了Mn3Zn0.77Mn0.19N0.94化合物的原位中子衍射研究，首次在反钙钛矿材料中观察到了非共线反铁磁和共线亚铁磁的共存现象；基于中子衍射精修结果，揭示其零热膨胀行为。该工作揭示了反钙钛矿材料热膨胀行为的本征属性，为其膨胀系数可调的复合材料的广泛研究提供了参考；成果发表在Scripta Materialia 146, 18-21 (2018)。.2、系统研究了反钙钛矿Mn3GaC材料中的类电致电阻行为。研究表明反钙钛矿化合物Mn3GaC在160 K附近出现磁转变，即是由高温的共线铁磁到低温的共线反铁磁。该磁转变附近出现电阻的突变，变化量达到～50%。通过不同接触电阻（导线和样品）的焦耳热构建样品的不同温度梯度、样品局部区域的性质表征、样品外加电流的磁性特征，证实了一类由局域焦耳热所引起的类电致电阻行为。该研究对电致电阻效应的机理研究具有重要意义；成果发表在Advanced Electronic Materials 1800028 (2018).3、报道了一类反钙钛矿结构手性磁材料。相关研究为手性磁的人为操控提供了思路，即可通过控制手性磁的关联原子磁矩而实现手性磁操控。反钙钛矿Mn3.333Ni0.667N中除了Γ5g三角反铁磁外，还有较弱的垂直于Γ5g平面的铁磁分量。通过外加磁场冷却，对其中铁磁分量进行冻结，从而实现了该磁结构手性的操控。成果发表在Advanced Functional Materials 29(37), 1900947 (2019)..4、在混合金属膜/半导体器件中，通过利用半导体的能斯特效应，推导接近室温的膜和衬底的热梯度和热电参数，在这之前并未有相关研究。成果发表在Applied Physics Letters 117, 262402 (2020)。. 本项目的相关研究在零热膨胀复合材料研制、下一代存储技术开发、新型温度传感器研究等方面具有潜在的应用价值。同时，其研究成果不仅能够加强对强关联电子体系的深入认识，还为探索新型功