磁卡与压卡材料的中子散射

固态相变制冷材料是指利用外场调控固态相变的熵变来制冷的一类新材料,其物理本质是材料的结构(磁结构)与原子(自旋)相互作用对相应外场的响应.由于中子散射技术可以探测多个时空尺度的原子/自旋结构与动力学,同时中子又具有极强的穿透能力可以保证复杂外场样品环境的应用;因此,原位外场条件下的中子散射技术是研究固态相变制冷材料的理想手段.本文简要介绍了中子散射技术的基本原理,并分别以Tb_5Si_2Ge_2, Mn_5Si_3,C_5H_(12)O_2为例来说明原位压力中子衍射、原位磁场非弹性中子散射和原位压力准弹性中子散射技术在磁卡和压卡材料里的典型应用.     

中子散射及其应用

在近30年间，由于中子源和散射装置的改进，中子散射在凝聚态物质中的应用日益广泛，在许多方面是其他（X射线、电子、激光、同步辐射等）散射技术不可比拟的．在简单评述供散射用的中子源和散射实验技术进展之后，重点介绍中子散射在凝聚态物质研究中的应用，它们包括晶体结构和磁结构的测定、表面、界面和薄膜的表征、测定结构涨落、磁涨落的现代相变研究、畸变、无序系统（包括分形和小角散射）和高分子材料、高Tc氧化物超导体的研究。     

磁相变材料的热效应表征

基于磁相变热效应的固态制冷是利用外加场驱动相变产生潜热从而实现制冷的技术.因其环境污染小、理论效率高,被认为是最有希望替代当前主流气体压缩制冷的技术.如何准确高效地表征磁相变材料的热效应是固态制冷研究的关键之一.磁相变材料和固态制冷的研究很大程度上依赖于磁相变热效应的表征技术水平.常规的热电偶、量热仪等热效应测试手段难以满足外场施加时复杂样品环境下磁相变热效应表征和深入研究相变机理的需求.因此新表征技术的引入和新表征设备的研制随着磁相变热效应研究的深入也同步发展.特别是近年来,磁相变热效应的表征已经不囿于单一指标、宏观量的测量,不仅表现出多角度、原位化、微观化的趋势,而且有和高通量、机器学习等新方法相结合的特点.本文将从磁热效应、弹热效应、压热效应等单场热效应和多卡效应等方面综述磁相变热效应表征的研究现状,并探讨磁相变热效应表征的未来发展趋势.     

第一性原理研究Mn2RhZ(Z=In,Sn, Sb)Heusler合金的磁性形状记忆效应

运用基于密度泛函理论的第一性原理,对3种 Heusler合金Mn₂RhZ(Z=In, Sn, Sb)的原子占位、晶体结构、晶格畸变和磁学性质等性能进行了研究.结果表明, Hg₂CuTi型结构3种Heusler合金相比Cu₂MnAl型结构表现得更为稳定;在由立方结构至四方结构的变形中,Mn₂RhZ(Z=In, Sn, Sb)分别在c/a=1.38,1.29,1.29处出现总能量的最小值,分别对应稳定的马氏体相;Mn₂RhZ(Z=In, Sn, Sb)的总磁矩主要源于Mn原子磁矩,奥氏体相下Mn₂RhSb合金中的2个Mn原子磁矩呈现反平行耦合,表现出铁磁性,而在奥氏体、马氏体相下Mn₂RhZ(Z=In, Sn)以及马氏体相下Mn₂RhSb合金表现出亚铁磁结构,因而Mn₂RhZ(Z=In, Sn, Sb)是潜在的具有磁性形状记忆效应的合金材料.     

Mn_（50）Ni_（39）Sn_（11-x）Al_x合金的磁相变及磁卡效应

Ni-Mn基铁磁Heusler合金的巨大磁卡效应使其在磁制冷方面具有良好的应用前景.磁熵变是磁卡效应的重要量度,根据麦克斯韦关系,磁熵变不仅与马氏体相变前后磁矩的变化大小△Msf有关,而且与马氏体相变温度跨度（Martensitic Transition Temperature Range,MTTR）有关.本文中,我们制备了Mn50Ni39Sn11△xAlx（x=0,1,2）系列合金样品,发现随着Al含量的升高,虽然△Msf减小,但MTTR随Al含量增加的减少更快,使得（△Msf/MTTR）值增大,从而获得较大的磁熵变△SM.以上结果表明除增大△Msf外,降低MTTR值也是提高材料磁卡效应的有效方法.     

新型全Heusler合金Cu2WAl的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了新型全Heusler合金Cu_2WAl的结构和弹性性能。结果表明:在无磁与铁磁性两种状态下,该全Heusler合金Cu_2MnAl型结构的能量低于其Hg2CuTi型结构,其中Cu_2MnAl型结构在铁磁态下的能量低于其无磁态;铁磁态下Cu_2MnAl型Cu_2WAl全Heusler合金的弹性常数不满足Born弹性稳定性准则,从而不能以稳态形式存在。     

稀土RET_2X_2材料的磁性与磁热效应研究

利用磁性材料磁热效应实现的磁制冷技术因其具有环保高效等优点,是未来颇具潜力的一种新型制冷方式.磁制冷技术能否替代现有制冷技术的一个关键因素是能否找寻和设计适合在不同温区的高性能磁制冷材料.稀土金属间化合物材料的磁性与磁热效应的研究是当前该领域的研究热点之一.其中,具有中心对称ThCr_2Si_2型晶体结构的三元稀土金属间化合物RET_2X_2(T=3d, 4d或5d过渡金属; X=B, P, Si, Ge等)因其独特的物理与化学特性而引起了研究者的关注.本文简要回顾了REMn_2(Si, Ge)_2, RERu_2(Si, Ge)_2及RECo_2B_2等金属间化合物的晶体结构、磁性及磁热效应等方面的研究进展,对材料的磁相变与磁热效应进行了总结,其中一些材料在低温下表现出优异的磁热性能,在低温磁制冷领域具有较好的应用前景.     

反铁磁耦合双层膜结构体系的磁滞回线相图研究

基于Stoner-Wohlfarth模型研究了非对称型反铁磁耦合三层体系的磁滞特性,得到了不同磁层厚度以及磁参数下发生线性磁相变临界转换场的解析表达式,以及9种可能存在的不同类型易轴磁滞回线．基于磁相变的临界条件获得了非对称反铁磁耦合双层膜体系在k1-k2如空间的磁滞回线相图．非对称反铁磁耦合双层膜体系作为磁隧道结的自由层时,相对于单层结构自由层具有更好的热稳定性．     

全过渡族合金Mn_(50)Ni_(50-x-y)Fe_xTi_y的马氏体相变行为研究

本文制备了一系列Mn_(50)Ni_(50-x-y)Fe_xTi_y全过渡族(all-d-metal) Heusler合金的甩带样品,并系统研究了Ti, Fe元素替代对其马氏体相变的影响.相同Fe含量时, Ti含量的升高能够稳定B2母相,从而降低马氏体相变温度.此外,Ti8合金中,马氏体相变温度随Fe含量的升高而下降,这表明Fe取代Ni原子也可以稳定B2结构的母相;同时,随着Fe含量的增加, Ti8合金中部分5M马氏体转变为L10马氏体并降低了热滞,表明L1_0马氏体与母相之间的相变驱动力小于5M马氏体与母相之间的相变驱动力.而当y8时,马氏体相变温度会随着Fe含量的升高而略微上升,这可能是由于Fe原子的无序占位所致.此外, Fe的加入具有铁磁激活的作用,建立了磁有序,使居里温度上升.电阻率测量显示,马氏体相变过程中伴随有显著的电阻变化,其原因是马氏体的显著晶格畸变对电子的散射作用.进一步发现,退火处理可以消除Fe原子无序占位,从而稳定B2母相,使得不同Ti含量的马氏体相变温度均可由高温下降至室温附近.本研究表明, Ti, Fe替代可以在室温附近获得一系列马氏体相变,为进一步的磁热及弹热研究提供了候选材料.     

蓝蝴蝶翅膀结构电磁散射特性分析

该文对蓝蝴蝶翅膀在可见光照射下的电磁散射特性进行研究,应用时域有限差分(FDTD)方法结合外延表面技术分别对TE波和TM照射下的翅膀简化模型的电磁散射特性进行分析,验证了这种结构的散射特性.由于其散射特性具备了隐身技术中结构隐身和材料隐身两大特点,所以,对这种蝴蝶结构进行深入研究,充分利用如上特点,有望对新型的高性能隐身材料的研制提供借鉴.     

半Heusler形状记忆合金Ni50-xMn38＋xSb12的磁卡效应研究

用熔炼和退火的方法制备了Ni50-xMn38+xSb12(x=-1,0,1,2)半Heusler形状记忆合金.通过X射线衍射及磁性测量的手段,对样品进行了研究.结果表明,Ni50-xMn38+xSb12(x=-1,0,1,2)系列合金均具有两个相变,低温为马氏体结构相变,高温为从铁磁性到顺磁性的转变.在278 K,5 T磁场下样品Ni49Mn39Sb12合金的磁熵变可达21.68 J/(kg·K).     

磁形状记忆合金Mn_2NiGa的第一性原理计算

Mn_2NiGa磁形状记忆合金立方奥氏体相因在室温下具有可逆马氏体相变,同时居里温度高达588 K,在高温下具有优异的磁热效应,因而在相应的学术领域和应用领域中具有重要的研究价值。掌握Mn_2NiGa磁形状记忆合金的原子占位、结构相变、磁性质和弹性常数是实现Mn_2NiGa合金磁形状记忆性能优化的关键。采用目前国际上较为先进的第一性原理精确Muffin-Tin轨道方法,系统计算研究了0 K下Mn_2NiGa合金立方奥氏体相与四方马氏体相的晶格结构参数、磁矩、弹性常数、电子结构及总能。研究结果表明,Mn_2NiGa合金立方奥氏体相具有Hg_2CuTi型晶格结构,而非传统Ni_2MnGa的L2_1结构;Mn原子是合金总磁矩的主要提供者,且2种Mn原子磁矩呈反平行排列;奥氏体相的剪切模量(C′=(C_(11)-C_(12))/2)小于0,因而低温下立方结构不稳定,可以发生由立方相到四方相的马氏体相变;根据Jahn-Teller效应,低温下四方相相对于立方相的稳定性,主要源于2种Mn和Ni原子分别与Ga原子的共价结合作用。上述理论结果有望为Mn_2NiGa合金性能的进一步优化提供理论指导。     

基于磁相变材料的物理效应研究

磁相变材料具有丰富的物理性质,在磁场、应力场或温度的驱动下能表现出磁热、磁致伸缩、弹热和负热膨胀等多种效应,在制冷、传感和能源转换等领域有着重要的应用前景.作为一种新型磁性功能材料,基于磁相变材料相关效应的研究领域正不断拓宽,研究内容也不断丰富.本文首先阐述磁性材料的相变类型并着重介绍一级磁相变材料.随后简介近年来一级磁相变材料在磁场、应力场和温度驱动下所表现出相关效应的研究进展.     

中子散射技术在热电材料研究中的应用

热电材料是一种可以直接将热能转换为电能的有效能源材料,具有较高稳定性及简单结构等特点,但是低的能效限制了它的应用。因此,如何有效提高热电材料的效率是当下一个研究热点。"声子玻璃-电子晶体"(即高电导率低热导率材料)概念为设计理想的热电材料提供了一个明确的思路:目前,剪裁能带结构和降低晶格热导是改善热电性能的两个主流方向。其中降低晶格热导的方法主要集中在微观上改变声子色散关系,包括掺杂点缺陷和重原子、构造复杂的晶体结构和衍生非简谐性原子键、引入ratteling原子等等。中子散射技术(包括中子衍射、非弹性中子散射、中子漫散射等技术)可以从晶体结构、原子占位、均方位移、结构内应力、声子色散关系与态密度等多方面研究与晶格热导率相关的微观机制,在热电材料的研究中起着重要的作用。     

氟化锶纳米板的高压相变行为研究

利用原位高压同步辐射X-ray衍射方法对合成的氟化锶纳米板进行高压结构相变研究,发现纳米板在6. 3 GPa和27. 7 GPa发生由立方相到正交相再到六角相的两次结构相变,卸至常压后相变是可逆的.拟合后得到立方相和正交相结构体弹模量分别为85(3) GPa和77(3) GPa.氟化锶纳米板在高压下表现出与体材料相同的相变行为和压缩特性其原因是制备的纳米板存在较多的缺陷,其缺陷的影响与氟化锶体材料中缺陷的影响相同,压力下缺陷处应力较大,导致相变发生.     

AuCrS2材料的第一性原理研究

采用实验给出的晶格参数,用全势线性缀加平面波法的第一性原理计算方法,研究AuCrS2材料的磁学特性和晶体结构与铁电性之间的关系.研究结果表明:AuCrS2结构的基态是层间反铁磁耦合、层内双条纹反铁磁耦合的磁结构,其层内Cr离子间的间接磁交换相互作用,对磁结构的形成具有重要作用,且整个晶体表现出三维磁结构.由于AuCrS2处于基态时,晶体结构中心对称,因而没有表现出铁电性.     

第一性原理研究Heusler合金V_2MnBi和V_2FeBi的半金属性质

采用基于密度泛函理论(DFT)框架下广义梯度近似平面波超软赝势法,研究了CuHg2Ti型结构Heusler合金V2MnBi和V2FeBi的电子结构和磁性。发现这两种合金都是典型的半金属亚铁磁材料。本文还阐述了合金V2MnBi和V2FeBi的磁性和半金属性质随晶格参数的变化情况。     

Ni-Mn基Heusler合金马氏体相变温度与电子密度的关系

价电子浓度和晶格体积是影响Heusler合金马氏体相变温度的两个主要因素.为了研究Ni-Mn基Heusler合金马氏体相变温度的变化规律,我们利用第三主族元素Al,Ga,In分别对Ni44Mn45Sn11合金中的Sn进行替代研究.实验结果表明：Al,Ga和In与Sn相比具有较少的价电子和较小的离子半径,替代导致合金价电子浓度降低和晶格体积收缩,但马氏体相变温度并不随着价电子浓度和晶格体积单调地上升或下降,价电子浓度和晶格尺寸机制均不能独立地解释Ni44Mn45Sn10R（R=Al,Ga,In和Sn）合金中的马氏体相变温度变化规律.综合价电子浓度和晶格尺寸因素,我们提出用电子密度可很好地解释Ni-Mn基铁磁形状记忆合金体系中马氏体相变温度随着电子密度的升高而升高的变化规律.     

Mn_5Ge_(3-x)Cu_x系列化合物的结构和二级相变特性

采用流动氩气电弧熔炼和高温退火法,制备了Mn5Ge3-xCux(x=0.0-0.2)化合物,并用粉末X-射线衍射研究了该系列化合物的晶体结构.结果表明:这些化合物都具有Mn5Si3型六角结构,空间群为P63/mcm;Cu对Ge的替代不改变化合物的晶体结构;晶格常数a和晶胞体积V随着Cu含量的增加而增加,而晶格常数c略微减小.用Lakeshore 7407型振动样品磁强计对每个化合物在低场(0.05T)下进行热磁测量,确定了居里温度和磁相变.结果表明,随着Cu含量的增加,化合物的居里温度几乎不变,其磁相变属于铁磁-顺磁二级相变.     

浅谈晶体结构分析技术——中子衍射与Rietveld结构精修方法

中子衍射技术是分析研究物质结构的重要手段之一。与X光衍射技术相比,中子衍射技术具有其独特的优势,尤其体现在对物质磁结构分析方面。针对中子衍射技术原理、特点以及对磁结构的分析做重点介绍。此外,针对衍射实验得到的晶体结构衍射图谱,提出合理的Rietveld结构精修手段和方案,从而进一步得到晶体结构相关信息。