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具有负膨胀性能的磁性材料


□ 温永春 王 聪 孙 莹

  摘要 文章综述了国内外近些年来在各种磁性材料研究中发现的具有显著异常热膨胀行为的磁性化合物,其中包括反钙钛矿结构类型的Mn2AX,Th2Zn17结构类型的R2Fe17-xMxCy和钙钛矿结构类型的R1-xAxMnO3等系列。运用磁学理论,定性分析了负膨胀产生机理,并从实际应用角度对今后此类材料的进一步研究提出了展望。
  关键词 负膨胀(NTE),反钙钛矿,磁致伸缩,磁体积效应
  
  一般材料都具有热胀冷缩的物理性质,但随着科学技术的不断发展,越来越多的精密仪器、仪表和设备,尤其是微电子器件,要求其材料或表面具有近零的热膨胀系数,这样才能保证其在环境温度变化的情况下稳定正常地工作。所以研究负膨胀(nega-tive thermal expansion)材料和近零膨胀材料具有重要的应用价值。而且,对此类材料膨胀机理的研究本身就具有重要的理论意义。
  目前人们对负膨胀材料的研究重点主要集中在钼酸盐、硅酸盐、钨酸盐、磷酸盐等氧化物材料。但是,近年来研究人员发现,除因瓦合金外,某些具有自发磁体积效应(spontaneous magnetovolumeeffect)的磁性材料也具有异常热膨胀,即负膨胀。于是现在国内外一些学者开始关注磁性材料的这一重要性质,一方面从理论上分析其产生机理,另一方面开发新的具有实用意义的磁性负膨胀化合物。目前研究的具有负膨胀特性的磁性材料主要包括具有反钙钛矿结构的Mn3AX、具有Th2Zn17结构的R2Fe17-xMxCy和具有钙钛矿结构的R1-xAxMnO3系列材料.
  
  1 具有负膨胀性能的Mn3Ax材料
  
  分子式为Mn3AX的三元锰化合物(A=Ca,A1,Cu,Zn,In,Sn等;X=C,N)具有立方钙钛矿结构:Mn原子位于面心位置,A原子位于顶角位置,X原子位于体心位置,因此人们又称其为反钙钛矿结构。该化合物的晶体结构尽管简单,但是在电阻、磁结构和晶体结构等方面具有许多特殊转变,而且这些转变相互之间往往具有紧密联系.目前该类化合物的研究人部分集中在巨磁阻和超导材料,这里则主要关注其中某些立方反钙钛矿化合物所表现出的负膨胀性能。
  具有负膨胀性能的磁性材料图片1
  在此系列材料中,研究人员已发现立方反钙钛矿锰氮化物和锰碳化物Mn3AX(A=Ga,Zn,Sn:X=C,N)具有大的自发体积磁致伸缩。在Mn3GaC化合物中,Mn原子磁矩仅约为1μB,说明其具有巡游电子特征。随着温度的降低,Mn3GaC在250K附近由顺磁(PM)转变为铁磁(FM);温度继续下降,在150K附近,铁磁转变为反铁磁(AFM)。而且在不同的外场作用下,其转变温度也有明显变化。在奈尔温度,材料的晶格常数和电阻率均随着温度的降低突然增加。显然,品格常数和电阻率的突变与反铁磁转变之间具有密切的关联。在Mn3SnC化合物中,随着温度的降低,磁化率、电阻和晶格常数在居里点Te处均有一个明显突然的增加。电阻和晶格常数的突变是由于亚铁磁转变造成的。随着温度的降低,亚铁磁相成为化合物的稳定相,亚铁磁有序使得晶胞体积增加,即自发磁体积效应。晶格常数的变化可能导致费米面从一个布里渊区进入到另一个布里渊区。Mn3SnC电子态密度(DOS)表明,其费米面紧挨着DOS的尖峰处。因此,费米能小的变化就能够使费米面附近DOS突然减小,这就使得有效传导电子数目明显减少,从而导致电阻突然增加。对于Mn3ZnN和Mn3GaN,随着温度的降低,晶胞体积分别在165K和290K处有一个突然的、明显的增加。中子衍射分析表明,在晶格突变处,伴随着具有三角T5g自旋结构的反铁磁转变,而晶体结构不变。
  电阻、磁性和晶体结构相关联的现象引起了人们对立方反钙钛矿类型化合物的广泛注意与研究。最近,日本学者Takenaka K和Takagi H专门针对此类材料的负膨胀性能进行了初步的研究,并取得了一些有益的结果。
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