反钙钛矿Mn3Ga1-xSixN1-yCy体系负热膨胀性质的第一性原理研究

Negative thermal expansion (NTE) materials have wide application fields and development prospects. Experimental work on the NTE properties of antiperovskite manganese–based compounds has been launched. At present, the experimental investigations on tuning NTE properties of Mn3GaN have been reported, however, the related theoretical research is absent. The co-doping method, as a more effective means for tuning NTE, has not been applied into Mn3GaN. In view of this, within the framework of first-principles calculations, this project is dedicated to a gradual in-depth research of the NTE properties of Mn3Ga1-xSixN1-yCy. The investigation of Mn3GaN forms the foundation in the project. Thereafter, the Mn3GaN-based systems doped separately by C and Si are explored in detail to study mechanism of the varying physical properties. Finally, the investigations of electronic, magnetic and phonon properties of Mn3Ga1-xSixN1-yCy system are performed. Under the condition of stable electronic and magnetic properties, it is committed to tune the phonon contribution to thermal behavior and further control the NTE behavior on the whole. This project will provide ideas and reference for experimental work to control the NTE of antiperovskite manganese–based compounds by choosing the doping elements and doping concentration reasonably.

负热膨胀材料有着广泛的应用领域和发展前景。反钙钛矿化合物作为一类负热膨胀材料，其相关研究已经展开。其中，围绕着Mn3GaN负热膨胀的实验工作已有报道，但相关的理论研究仍然缺乏。共掺杂作为一种更为有效的调控方式，在Mn3GaN 的负热膨胀研究中还没有展开。鉴于此，本项目采用第一性原理方法研究双元素共掺杂体系Mn3Ga1-xSixN1-yCy的负热膨胀性质，母体Mn3GaN的研究作为本项目的基础，之后再开展C和Si分别掺杂的研究工作，探索不同位置的单原子掺杂对体系性质的影响，最后结合已掌握的基本物性和单原子掺杂规律，分析在C和Si共同作用下Mn3Ga1-xSixN1-yCy中电子、磁性和声子性质的变化规律，并在电子、磁性性质相对稳定的情况下，对声子进行调控，进而在整体上达到对体系的负热膨胀调控。此项目的开展可以为实验合理选择掺杂元素和掺杂浓度调控反钙钛矿锰基化合物的负热膨胀性质提供思路和参考。

负热膨胀材料有着广泛的应用领域和发展前景。如何有效调控负热膨胀系数和负热膨温区是材料学家一直面临的问题。本项目中，我们围绕着反钙钛矿体系，采用共掺杂的方式可以有效的调控Mn3GaN化合物的负热膨胀性质。我们应用第一性原理计算从电-磁-声三个方面研究了内部的物理机制，发现电-磁-声的精巧耦合，可以促进热力学性能的规律改变。我们的工作为相关实验的进行提供了理论指引，实验上Mn3Ga1-xGexN化合物随着掺杂浓度的提高，负热膨胀性能可以达到优良的调控，其中负热膨胀系数逐渐减小，且温区从20K逐步拓宽到150K，为我们的理论工作也提供了实验验证。结合反钙钛矿体系的独特性，我们还实验设计了Mn3CuN/n-Si的异质结，发现该异质结具有优良的整流特性，通过第一性原理对功函数的计算，我们认为界面的反转层是影响该异质结体系的半导体-金属跃迁行为和整流特性的关键因素。此外，在负膨胀领域，我们预言了低维体系磷烯纳米管的负热膨胀性质。我们还发现金属氢化物可以同时具备多重反常的“负”特性。这些工作可以为后续的实验研究提供理论基础和铺垫。