铁磁相晶体学结构的非中心对称性的研究

Recently, ferromagnetic transitions of more and more magnetic materials are proved to involve not only purely an ordering of magnetic moment, but also a change of crystal structure or symmetry, by using of high-resolution synchrotron x-ray diffractometry (XRD). Furthermore, some ferromagnetic materials are believed to possess the noncentro-symmetrical crystal structures. Therefore, we propose a proposal to systematically study the noncentro-symmetrical crystal structure of ferromagnets. To successfully fulfill this proposal, we have performed some research work in advance. For example, we have proved that the ferromagnetic transition is also a transition of crystal structure, by employing the synchrotron XRD and phenomenological theory. For further detail, we have explored the possibility of noncentro-symmetrical crystal structure of ferromagnets by using method of structure refinement. At the same time, our experimental studies on the magnetodielectric effect indirectly proved this possibility of noncentro-symmetrical crystal structure in ferromagnets. Here, based on our previous results about crystal structure change of ferromagnetic transition, we are willing to study the noncentro-symmetrical crystal structure of ferromagnets from the views of physical property test, microstructure observation and theoretical analysis. Through this study, we look forward to the following three goals. First, we will directly prove that the ferromagnets possess the noncentro-symmetrical crystal structure. Second, we will clarify the underlying physical mechanism of noncentro-symmetrical crystal structure of ferromagnets. Third, we will provide a new way to explore and discover the functional materials with exotic properties.

近年来，随着高精度同步辐射XRD对磁性相变的深入研究，越来越多的磁性材料表明其铁磁相变不仅仅是一个纯磁性相变，亦是一晶体结构的相变；同时又随着铁磁相和铁电相共存的多铁材料的研究进展，铁磁相晶体也开始被认为可能具有非中心对称的晶体结构。基于此，本项目提出对铁磁相的晶体结构是否具有非中心对称性这一晶体学难题进行研究。为此，我们分两步进行了前期基础研究：一是通过同步辐射XRD实验和理论证明铁磁相变涉及晶体结构的变化；二是通过晶体结构精修和磁介电常数的测量初步证明铁磁相晶体具有非中心对称的晶体结构。在此研究基础之上，我们拟从宏观性能、微观结构、理论分析等三个方面对铁磁相晶体学结构的非中心对称性进行深入研究。通过本项目的研究，不仅将从实验上直接证实铁磁相晶体具有非中心对称的晶体结构，同时也从理论上阐释这一具有非中心对称晶体结构的铁磁相的物理起源，为探索和发现具有奇特物理性质的新材料提供一种有效途径。

近年来，随着高精度同步辐射 XRD 对磁性相变的深入研究，越来越多的磁性材料表明其铁磁相变不仅仅是一个纯磁性相变，亦是一晶体结构的相变；同时又随着铁磁相和铁电相共存的多铁材料的研究进展，铁磁相晶体也开始被认为可能具有非中心对称的晶体结构。基于此，本项目提出对铁磁相的晶体结构是否具有非中心对称性这一晶体学难题进行研究，同时深入研究晶体与磁性能直接的关联及其物理起源。为此，近些年我们主要进行了以下研究：一是通过同步辐射 XRD 实验和理论证明铁磁相变涉及晶体结构的变化；二是通过晶体结构精修和磁介电常数的测量初步证明铁磁相晶体具有非中心对称的晶体结构；三是基于铁磁相变及晶体结构变化特性深入研究相变附近的磁性能及其物理起源。通过四年的研究，我们主要取得了以下重要结果：1）借助高分辨率同步辐射X射线粉末衍射和单晶衍射技术结果结合Rietveld精修对RT2体系进行研究。发现DyCo2成分在90K的粉末衍射数据可以较好的符合四方晶系非中心对称空间群I-4m2，并可以观察到非中心群特征峰(220)和(004)微弱的存在迹象，表明铁磁相的非中心对称空间结构。2）利用具有纳米马氏体特征的铁磁性应变玻璃，在Fe-Pd铁磁应变玻璃中他们实现了在0.08特斯拉的小磁场下产生高达800ppm的大应变。3）在多铁复合体系中发现了Co0.5Zn0.5Fe2O4尖晶石结构和GaFeO3正交相结构的共存。并且 随着掺杂量的增加复合材料的漏电流显著降低，磁化强度显著增强。最终，通过本项目研究，我们证实并阐明了铁磁晶体的非中心对称结构，并且阐明了铁磁相变附近的晶体结构及物理特性变化规律。根据其原理分别制备了具有大磁致伸缩和多铁性的新材料，进一步为磁相变附近的高性能物理效应提供了理论依据。