反钙钛矿结构铁基氮化物的制备及物性研究

Recently, Antiperovskite iron-based nitrides ANFe3 (A=Al, Ga, Sn, Zn, etc.) have attracted considerable attention because they can be regarded as electron-doped antiperovskite manganese-based nitrides. Thus, the fermi surface structure of ANFe3 may undergo great changes (such as fermi surface structure reconstruction, the appearance of pseudo-energy gap, etc.), which may present rich physical properties such as superconductivity, non-fermi liquid and glass frozen, etc.. In present, the research on ANFe3 mainly focuses on theoretical calculation, and the study of physical properties are rarely reported on experiment due to the harsh conditions of sample preparation. So, how to prepare and systematically study ANFe3 by experimental means will be of a great significance. In this project, the ANFe3 compounds will be prepared by sintering in ammonia or nitrogen atmosphere, and the influence of A/Fe site doping on crystal structure, magnetic phase transition and electrical transport properties will be studied to find the law of gradual change. For more complex systems, the correlation effects of various physical properties near the phase transition will be studied. At the same time, the application properties, such as magnetoresistance, magnetocaloric effect and soft magnetic property, will be explored. We hope this project can help us to make a more comprehensive understanding of antiperovskite iron-based nitrides through experimental studies.

反钙钛矿结构铁基氮化物ANFe3(A=Al、Ga、Sn、Zn等)可看作电子掺杂的反钙钛矿结构锰基氮化物，其费米面结构可能发生巨大变化，如费米面结构重构、赝能隙的出现等，可能产生如超导电性、非费米液体以及玻璃冻结等奇异的物性，从而吸引研究者的广泛关注。目前，对于该类材料的研究主要集中在理论计算方面，而由于制备样品条件比较苛刻使得实验上物性报道较少。因此，如何制备并通过实验手段系统研究该类化合物将具有十分重要的意义。本项目拟采用通氨气或氮气烧结制备并研究ANFe3母体化合物，通过A/Fe位掺杂效应对晶体结构、磁相变和电输运等物性的影响，寻找递变规律；对较为复杂的体系，研究相变附近多种物性的关联效应；同时研究其对应磁电阻、磁热、软磁性能等应用属性，探索其应用的可能性。希望通过实验方面的研究对此类材料建立一个较系统全面的认识。

反钙钛矿结构铁基氮化物ANFe3 (A = Al、Ga、Sn、Zn等)由于费米面结构可能发生巨大变化，而可能产生磁阻挫及玻璃冻结等奇异的物性，从而吸引研究者的广泛关注。目前，对于该类材料的研究主要集中在理论计算方面，实验上却鲜有报道。因此，如何制备并通过实验手段系统研究该类化合物将具有十分重要的意义。本研究首先采用单一通氨气烧结制备并研究ANFe3母体化合物（SnNFe3、ZnNFe3、InNFe3、CuNFe3），通过A/Fe位掺杂效应对晶体结构和磁相变等物性的影响，具体如下：1）在Sn1-xNFe3+x系列样品中，研究结果表明磁阻挫态一直存在于系统之内，且在Sn不断缺失的过程中，反铁磁到铁磁交换作用的演变行为可以被明显的观察到。值得注意是，在Sn0.9NFe3.1和Sn0.8NFe3.2的两组样品中发现了格里菲斯相的存在，这是首次在反钙钛矿结构铁基氮化物中出现。这个结果也说明了在更高的Fe含量的样品中，铁磁渗透率更高，Tc温度之上的短程铁磁有序更强；2）制备的ZnNFe3从铁磁到顺磁性的完全转变温度约为325 K。第一性原理计算和理论模型表明其磁相变属于二阶相变。样品的磁热效应计算表明磁熵变 (−ΔSM) 的最大值约为2.3 J/kg•K。在磁场ΔH = 50 kOe时，ZnNFe3的相对制冷能力(RCP)值可达247 J/kg；3）在InxFe4-xN系列样品中研究了自旋玻璃演化行为。当非磁性In原子部分取代Fe4N顶点位置的磁性Fe原子后，样品中会产生磁无序，这种无序是由于In原子和Fe原子同时占据同一晶格位置而引起的；4）研究了CuxNFe4-x软磁性能并进行优化。随着铜含量增加，损耗从x = 0.1的1064.5mW/cm3降低到x = 0.5的679mW/cm3。更重要的是，在磁场为100 Oe时，当x = 0.5时μH/μH=0的值可增加达到87 %。暗示着CuxNFe4-x可作为未来潜在软磁材料。本项目基于一种新型便捷安全的方法制备反钙钛矿结构铁基氮化物，并研究其结构、磁、及相关的物理性能。本研究内容在国内外文献中未见有类似的研究报道，属原始性创新，对促进对反钙钛矿结构铁基氮化物物理性质的理解和应用具有很好的科学意义。