磁相变、磁热效应、负热膨胀及其相关科学问题的中子衍射研究

Powder neutron diffraction is a powerful means to detect crystal structures, especially complex magnetic structures, and distinguish small atoms. The successful construction of China Spallation Neutron Source is of pioneering significance. The research of novel giant magnetocaloric materials and phase transition type negative thermal expansion materials is of great significance for promoting the development of green magnetic refrigeration technology and new precision manufacturing industry. This project will focus on the rich magnetic structure peculiar to the rare earth intermetallic compound and the anti-perovskite type metal nitrides/carbides and so on. Neutron diffraction study will be performed on crystal structure evolution along with magnetic structure, magnetic crystal coupling, phase transition, and their correlation with magnetocaloric effect and negative thermal expansion will be clarified. Through the study of neutron diffraction, this project hopes to (1) dig the lattice anomalous change and lattice entropy, and obtain novel methods for regulating the magnetocaloric effect, negative thermal expansion and the working temperature range; (2) reveal the effects of the magnetic/non-magnetic atomic occupancy, the absence and ordering of small atoms and the chemical/physical pressure on the "lattice-spin" coupling, the nature/width of phase transition, explain the physics of magnetocaloric effect and negative thermal expansion, and discover novel magnetic multifunctional materials; (3)verify the importance of Dongguan GPPD in material research, and provide an important reference for the development and upgrading of neutron technology in China.

粉末中子衍射技术是探测晶体结构尤其是复杂磁结构、辨别小原子的强有力手段。中国散裂中子源的建成具有开创性意义。新型巨磁热以及相变型负热膨胀材料研究对于推动绿色磁制冷技术和新兴精密制造业的发展具有重要意义。本项目将特别针对稀土金属间化合物、反钙钛矿金属氮/碳化物等体系所特有的丰富磁结构，利用中子衍射系统研究磁结构伴随的晶体结构变化、磁晶耦合、相变及其和磁热、负热膨胀的关系。通过中子衍射研究，本项目希望（1）开发晶格反常变化和晶格熵的贡献，获得调控磁热、负热膨胀及其工作温区的多途径方法；（2）揭示磁性/非磁性原子占有率、小原子缺位与有序化、化学/物理压力等因素对“晶格-自旋”耦合、相变性质/宽度的影响，以及缺陷、组分调控的电子结构和相变动力学过程，阐明磁热、负热膨胀演化规律和物理根源，发现新型磁性多功能材料；（3）验证东莞GPPD在材料学研究中的重要性，为我国中子技术发展与提升提供重要参考依据。

基于卡效应的绿色环保固态制冷技术、反常热膨胀材料在制冷业和精密制造业具有重要应用。本项目利用中子衍射手段从原子尺度揭示了六角MM’X(M，M’=过渡族元素，X=主族元素)、La(Fe,Si)13、 Mn3XN(C)等多种材料体系的相变、磁结构、晶体结构演化及其和磁热效应、负热膨胀(NTE)等宏观性能的构效关系。获得的主要成果包括：.1).首次利用非公度螺旋磁结构主导的晶格畸变在掺Fe的MnNiGe磁热合金中实现了巨大负热膨胀(NTE)，为寻找新型NTE材料提供了新策略。.2).对于具有自主知识产权的巨磁热La(Fe,Si)13基材料，引入静水压获得大幅增强的磁热、压热效应(La(Fe0.92Co0.08)11.9Si1.1)。利用中子衍射并结合第一性原理计算从原子尺度揭示了压力作用下原子局域环境的改变和相变性质、磁热/压热效应的内在关系和相关机理。澄清了自旋熵变和晶格熵变的符号问题。.3).在MM’X磁热材料体系发现了一种新的摆线型螺旋反铁磁结构，利用原位中子衍射手段并结合第一性原理，揭示了其自旋结构构型及其随温度、磁场以及压力场下的演变规律和相关机理，获得巨大压磁效应。.4).中子衍射揭示了MnNi1-xFexSi1-yGey合金体系压力调控磁共结构相变和磁热效应机理，对于理解不同体系多场调节的磁热效应具有重要启示。.5).利用中子衍射对小原子分辨能力，研究了反钙钛矿化合物C元素占有率和宏观物性的关系，通过控制体心位置C，在Mn3Zn0.5Sn0.5Cx中获得了一种新的非共面反铁磁结构，从而获得宽温区零热膨胀行为。..共发表论文46篇，其中，J.Am.Chem.Soc. 1 篇, ACS Nano 1 篇, Nano energy 3 篇，Mater.Horiz. 1 篇，NPG Asia Mater. 2 篇，Acta Mater. 4 篇, Chem.Mater. 1 篇, ACS Appl.Mater.Interfaces 3篇，Nanoscale 2篇, Phys.Rev.Mater. 1篇, Script Mater. 4篇，APL Mater./Appl.Phys.Lett. 3篇；获发明专利授权8项，提交专利申请6项；国际、国内邀请报告39次。组织3次全国学术会议。培养博士、硕士研究生25名，毕业8名博士1名硕士。获广东省科技进步奖特等奖1项。