强磁场下锰基反钙钛矿结构金属功能材料制备与性能调控

Materials fabrication under high magnetic field is a rapidly developing field of material sciences. Currently, the researches focus on the issues during the solidification, such as the nucleation, change of grain boundary and grain orientation. The Mn-based antiperovskite compounds AXMn3 (A: main group or some transition elements, X: C or N) exhibit lots of functionalities, such as giant magnetoresistance, magnetocaloric effect, negative thermal expansion, magnetostriction and zero temperature coefficient of resistivity. The strong coupling among spin, lattice and charge and the geometrical frustration based on a corn-sharing octahedral lattice provide a new strategy for sample fabrication under high magnetic field, namely, the interaction of magnetic field with spins will affect the lattice, charge, and even electronic structure. Here, we propose to investigate the effects of the application of a high magnetic field during the thermal treatment and fabrication on the spin, lattice and electronic band structure of AXMn3 compounds. The proposed research will improve the functionalities of AXMn3, obtain new functional materials, and consequently benefit the fabrications of other electronic correlated materials under high magnetic field.

强磁场下材料制备研究是材料物理的新兴领域之一。目前此类研究主要关注凝固过程中的形核、晶界变化、诱导取向等因素对材料性能的影响。锰基反钙钛矿结构化合物AXMn3 (A为主族或过渡族金属元素; X为碳、氮)具有巨磁电阻、磁致伸缩、磁热、恒电阻、负热膨胀等功能属性，是一类具有重要基础和应用研究价值的新型金属功能材料。其自旋、电荷和点阵等自由度间的强耦合以及基于角共享八面体网络的自旋阻挫为强磁场下材料制备和物性调控提供了新思路，即磁场可直接作用于自旋，进而影响晶格、电荷乃至电子能带结构。本项目拟研究在AXMn3系列功能材料的合成（热处理）过程中引入强磁场对物性的影响，建立诱导强磁场对自旋等自由度及电子能带结构的调控机制，在此基础上通过优化工艺参数制备出几种新型功能材料。本项目的顺利开展有望提高AXMn3体系的功能属性，合成出新型亚稳相晶态功能材料，进而为强磁场下关联电子材料的可控制备提供依据。

反钙钛矿结构材料，特别是锰基化合物AXMn3 (A为主族或过渡族金属元素; X为碳、氮)具有巨磁电阻、磁致伸缩、磁热、恒电阻、负热膨胀等功能属性，是一类具有重要基础和应用研究价值的新型金属功能材料。其自旋、电荷和点阵等自由度间的强耦合以及基于角共享八面体网络的自旋阻挫为强磁场下材料制备和物性调控提供了新思路，即磁场可直接作用于自旋，进而影响晶格、电荷乃至电子能带结构。我们研究发现强磁场下低温后退火处理对样品物性影响甚微，而高温处理则容易引入氮、碳缺位（如PdNMn3、GaCMn3）。强磁场下直接烧结则可以从根本上影响产物的微结构、电输运和磁性。例如：强磁场下合成的A0.95Mn0.05NMn3 (A=Cu, Ag)的电阻率温度系数（TCR）较零场下制备样品有显著降低，可归因于微观结构的变化（如晶粒取向、细化等）；强磁场下合成的ZnNMn3较零场下合成样品的磁体积效应有较大幅度的减弱，并且温度窗口略有展宽。这是由于合成过程中引入的强磁场抑制了反铁磁交换作用。根据这些结果，我们也筛选了适合强磁场下合成的反钙钛矿结构新化合物，如交换偏置材料Ga1-xMnxNMn3、PdNCr3；低TCR材料Ga0.95Ag0.05CFe3；晶格各向异性材料GeNCr3等。我们的研究结果为立方结构材料体系在强磁场下制备和改性提供了参考依据。截至目前，已在Appl. Phys. Lett.、Inorg. Chem.、J. Appl. Phys.、J. Alloys Comp.等期刊上发表相关论文15篇；项目负责人获得国家自然科学基金优秀青年基金项目资助。