"杂质"元素对MnFePSi化合物晶体结构、微结构和磁热性能的影响

Fe2P-type Mn-Fe-P-Si giant magnetocaloric effect material is one of the best candidates for room temperature magnetic refrigeration. In general, the raw materials for compound synthesis contain “impurity” elements, ones will choose the raw materials with high purity, so that they could avoid the uncertainty caused by these “impurity” elements. In this project, those “impurity” elements will be doped purposely into MnFePSi compound, the influence of the “impurity” element on the crystal structure, micro-structure, magnetism and magnetocaloric properties of MnFePSi compound will be studied..X-ray diffraction and SQUID will be employed for the preliminary investigation on the crystal structure, magnetism, Curie temperature and magnetocaloric effect. Bitter method will be employed for the magnetic domain characterization and domain movement. Utilizing the XAFS/neutron diffraction technology data, magnetization results and the first-principles (Density Functional Theory) calculation, the influence of interatomic distance and micro-structure information on the magnetism and phase transition can be obtained. The internal relations among micro-structure, hysteresis effect and magnetic phase transition of MnFePSi compound will be fabricated.

Fe2P型Mn-Fe-P-Si巨磁热效应材料是室温磁制冷技术中最佳候选材料之一。通常，用以化合物制备的原材料都或多或少的含有一些“杂质”元素，人们会选择高纯度的原材料去避开这些“杂质”元素带来的不确定因素。本项目则有针对性的将这些可能的“杂质”元素掺杂到MnFePSi化合物中，研究“杂质”元素对该化合物晶体结构，显微组织结构，磁性以及磁热性能的影响。.用X射线衍射技术和SQUID等测量手段，初步测定样品的晶体结构，磁性，居里温度和材料的磁热效应。用贝特粉末法研究化合物磁畴结构和畴移动规律。利用同步辐射XAFS /中子衍射得到的信息和第一性原理计算（泛函密度理论）并结合磁性测量结果，研究原子间距及微观结构信息对磁性和相变的影响。建立MnFePSi化合物的微结构与滞后效应和磁相变之间的内在联系。

Fe2P型Mn-Fe-P-Si巨磁热效应材料是室温磁制冷技术中最佳候选材料之一。以高纯原材料制备出单向性好的MnFePSi系列化合物。通过改变化合物中金属/非金属计量比，热处理工艺等找到制备单相（Fe2P型六角结构）样品最佳工艺。通过对该系列材料的变温XRD研究，发现该系列化合物的晶格常数a, c在居里温度附近表现为不连续突变，间接证明了一级磁弹转变的存在，并且在居里温度附近还观测到两套晶格常数。尽管该化合物的晶格常数a和c在发生一级磁相变时表现为不连续，但晶胞体积V的变化率为3.7×10-5 K-1，与Fe或Ni材料的膨胀系数近似。.通过对EXAFS谱的研究得出以下结论：在MnFeP0.56Si0.44化合物中Fe原子占据3f晶位，Mn原子占据3g晶位。在3f层上的第一近邻三角形与第二原子间距有着很大的变化，这一变化可能来自于磁弹耦合，而磁弹耦合本身在该系列化合物的一级箱变当中起着非常重要的作用。.将“杂质”元素对MnFePSi系列化合物进行微量替代或间隙掺杂。“杂质”元素如V, Cr, Co, Ni, Cu, Al, Zn, P, B等。少量的引入“杂质”元素不会破坏MnFePSi化合物的晶体结构，但随着“杂质”含量的增加，都会或多或少的影响材料的单相性，不同程度的析出杂质相。对磁性来说，除了B以外，引入的其余所有“杂质”元素均会减弱化合物中的强-弱铁磁层的相互作用，从而降低化合物居里温度。除了Cu以外，引入的其余所有“杂质”元素均会不同程度的减弱铁磁-顺磁转变能量势垒，减小热滞。居里温度从200 ~ 450 K，热滞从~ 60 减小到~ 1 K。化合物表现出相当大的饱和磁矩（4.57 μB/f.u.）。.本项目研究，从学术角度有助于理解MnFePSi 化合物磁性和磁热性能与成分，晶体结构，显微结构，电子结构等之间的联系；从实际应用角度，则对MnFePSi 化合物性能优化起着指导作用, 推进产业化发展。