反钙钛矿结构化合物的磁结构解析及其“晶格-自旋”的相互作用机制

具有反钙钛矿结构的Mn3XN(C)化合物在磁相变区域普遍存在反常的晶格收缩现象，即负热膨胀行为,以及更为广泛、丰富的其它磁、电物理性质。这些现象与性质与其磁结构和磁相变，即自旋有序的出现和变化密切相关，反映在对X位置的元素种类、Mn位掺杂以及X, N位置缺位情况十分敏感。即在这类材料中磁结构和"晶格-自旋-电荷"的强关联特性导致了反常热膨胀以及其它性质的产生，因此，磁结构的解析成为揭示其机制的关键。本课题应用变温中子衍射、X射线衍射技术等，通过研究Mn3XN(C)(X=Zn, Ni, Ag)及其互掺固溶体系的磁结构、晶体结构与反常热膨胀行为的关联，旨在掌握产生反常热膨胀行为的规律与本质，以达到对该材料热膨胀行为的可控性，实现对可控零膨胀功能材料的开发。同时揭示该强关联体系中的磁-声相互作用的微观机制，以及磁相变和晶格变化对电输运性质的影响。

本课题通过元素掺杂以及空位对Mn3CuN、Mn3ZnN、Mn3NiN、Mn3CoN、Mn3GaN、Mn3SnC等反钙钛矿材料晶格、磁电输运等物性进行调控，获得了磁热、磁致伸缩、负或近零热膨胀、近零电阻温度系数、压热等多种反常物性。我们应用中子衍射技术，定量分析晶格变化与磁结构的关联关系，旨在通过微观磁结构，及其在温度和磁场等外场下的演变，深入探讨与“晶格-自旋”耦合相关联的反常物性。本课题研究将促进关于钙钛矿类材料”结构-物性“本质关系的认识。.在该项目资助下，我们在Chem. Mater., Acta Mater.,Phys. Rev. B等杂志发表文章34篇，其中SCI收录28篇，影响因子在3.0以上的有12篇。培养博士生7名，硕士生2名。代表性研究成果如下：.（1）研究了Mn3Cu0.89N0.96化合物磁熵变和磁致伸缩微观机制，结果表明其磁熵变主要源于四方相区域AFM态向FM态的磁相变和磁场下部分立方相向四方相的相转变。通过不同温度和磁场下晶格和磁矩间定量关系分析，证实磁致伸缩源于晶格-自旋耦合机制。.（2）在Mn3AgxMnyN化合物中，通过Mn掺杂使其负热膨胀温区展宽。电阻温度系数从正值(153 ppm•K-1, x=1)调控到了负值(-59 ppm•K-1, x=0.76)。.（3）通过理论计算证实Mn3Zn0.875X0.125N (X= Mn、Ge和Sn)中X原子的掺杂可以稳定非共线的Γ5g反铁磁相。另外，在Zn位置掺杂Mn分别观测到了宽温区内的近零热膨胀性质(x=0.15)和相分离现象（x=0.19, Γ5g磁相与共线铁磁相共存）。.（4）在Mn3GaN材料中，通过引入空位，在低温区获得特殊的亚铁磁结构M-1。450MPa下, 该材料在Γ5g至顺磁相变附近具有高达17.9J/Kg K的压热效应，RCP为4.75 J cm-3.同时在M-1至Γ5g相变附近施加压力，可获得显著的压磁效应。.（5）通过Co替代Sn，最终在Mn3Sn0.8Co0.2C1.1材料中获得了50-350 K温区内高达103 J/kg (20 kOe)的相对制冷系数RCP，因此在室温磁制冷领域具有潜在应用价值。.(6) 在Mn3CoN样品中获得了9.7kOe的交换偏置效应，以及18.82 kOe的大矫顽力，并通过掺Al，获得了宽温区近零和负热膨胀行为。