MnCoGe基合金的磁性耦合、临界行为及其磁热效应调控研究

Magnetic coupling, critical behavior and magnetocaloric effect are difficult problems in room-temperature magnetic refrigeration materials. Although substituting partial atoms or introducing interstitial atoms has an important effect on magnetocaloric materials and some interesting results are obtained, the microscopic mechanism is still unclear. The crystal structure, ion substitution, magnetic properties, magnetocaloric properties, magnetic phase transition, critical behavior as well as the related physical properties of MnCoGe based alloys will be systematically studied in this proposal. Additional, we will use the elemental substitution/doping method to modify the crystal structure, transition temperature and magnetocaloric effect of MnCoGe alloys. The atom occupancy as well as its correlation with magnetostructural transformation, critical behavior and magnetocaloric effect will be investigated quantitatively by experimental and theoretical approachs, which mainly presents mechanism of magnetostructural transformation and critical behavior with atom occupancy. These results will be expected to provide some basic research data that are used to not only manifest the underlying physical mechanism of magnetostructural coupling, but also develop new investigation of giant magnetocaloric alloys.

磁性耦合、临界行为及其磁热效应一直是室温磁制冷材料中具有挑战性的课题，人们发现原子替代对磁热材料具有重要影响并呈现出许多新奇而有趣的物理现象，然而其微观机理有待进一步澄清。本课题在前期对磁热材料的巨磁热效应和相变临界特性研究的基础上，选择巨磁热材料MnCoGe基合金体系为研究对象，通过对合金的晶体结构、离子替代、磁特性、磁热效应、磁性相变、临界行为等相关物理特性进行系统的研究和探索，将利用元素替代和掺杂的技术手段有选择地对该体系合金的结构、相变温度、磁热效应等物理特性进行有效的调控。给出原子占位和相变、临界行为、磁热效应的定量关系，通过对体系结构和相变的研究，结合运用Kouvel–Fisher方法等理论计算，重点给出结构相变、磁性相变、临界行为和随原子占位变化的机制，为深入理解结构-磁相变耦合的物理机制和研究合金巨磁热材料提供基础的实验和理论资料。

磁性耦合、临界行为及其磁热效应一直是室温磁制冷材料中具有挑战性的课题，人们发现原子替代对磁热材料具有重要影响并呈现出许多新奇而有趣的物理现象，然而其微观机理有待进一步澄清。本课题以MnCoGe基合金体系为具体对象，以结构表征、磁性测量、理论计算为主要手段，研究了晶体结构、离子替代、磁学特性、磁热效应、磁性相变、临界行为等相关物理问题。获得了一系列重要研究结果：1）制备了Mn1-xAlxCoGe等系列合金，研究了合金相变与磁热效应的调控，发现Mn位掺杂使Mn-Mn原子间相互作用减弱、单位磁矩的变化与等温磁熵变呈反比，结合合金态密度和能带的变化做出解释。2）制备了MnCoGe1-xCux等系列合金，研究了相变特征和临界行为，发现结合Landau系数及熵的归一化曲线可判定相变类型，拓展了相变判定的标准。基于MAPs和KF方法，发现非磁性掺杂在磁相变附近导致长程磁相互作用。3）制备了MnCo1-xNbxGe等系列合金，结合Landau定理和Bean-Rodbell模型量化了合金热滞大小，发现Co位掺杂展现较小的滞后损失（≤1.1J/kg, 5T）。基于平均场定理获得了等温磁熵变可用于求解自发磁化强度的方法。4）制备了MnCo1-xCdxGe等系列合金，给出了制冷性能评估和磁场-熵变关联性分析，发现非磁性原子掺杂拓宽合金的室温附近制冷温区。揭示了最大磁熵变与H4/3呈线性相关，建立的关联方程直接了反应磁均匀度。5）制备了NiMnSn等系列合金，探讨了Co、Si、Ag掺杂对NiMn基哈斯勒合金的微观结构的影响，给出了原子掺杂对合金磁性和磁热性能影响机理。6）制备了系列CoVGa哈斯勒合金，研究了马氏体相变过程中的热力学、形状记忆、应变及磁性变化，获得了相变过程中的压卡和磁热效应，给出了磁卡和压卡机理。7）磁场下制备出了系列纳米Fe3O4，研究了纳米材料的结构和磁性相变，发现制备磁场增加了材料均匀性和晶化程度，影响了离子占位和磁性，给出了制备磁场影响磁性相变机制。研究结果为深入理解结构-磁相变耦合的物理机制和研究合金巨磁热材料提供基础的实验和理论资料。