尖晶石铬基硫化物ACr2S4磁电效应与磁热效应的研究

Magnetoelectric and magnetocaloric effects are hot topics in the field of mangetism and magnetic materials. Magnetoelectric effect has attractive potential application in spintronics and magnetoelectric sensor due to a novel degree of freedom added. Giant magnetocaloric effect near room temperature is expected to be applied in magnetic refrigerators and air conditioners with high energy efficiency. Ferromagnetic spinel sulfides ACr2S4 have recently attracted more attention due to the discovery of colossal magnetoresisitance, relaxation multiferrorics and large magnetic entropy change. In this project, we will focus on large magnetoelectric and magnetocaloric effects in ACr2S4, and investigate systematically the crystallographic and magnetic structures, properties of magnetic, transport and heat as a function of species and concentration of A-ion, temperature, magnetic field and electric field. In combination of the first principle calculation, the correlation among the subtle change of the local structure, magnetic exchange interaction, spin-lattice coupling and the properties will be interpreted.

磁电效应和磁热效应是当前磁性物理领域的研究热点。磁电效应可能为新型多功能电子学器件的设计提供了一个新的自由度，在自旋电子学、磁电传感器等领域有着广阔的潜在应用；大磁热效应探索可能为室温高效磁制冷提供解决方案。铁磁性的硫化物ACr2S4因巨磁阻效应、磁电耦合效应和大磁热效应的发现，逐渐得到研究者的重视。本项目将结合大磁电效应和大磁热效应的材料探索，在ACr2S4体系内，通过A位原子种类和成分的调控，系统地研究其晶体结构、磁结构和基本磁电性质随成分、温度、磁场和电场等演化的一般性规律。结合第一性原理计算，研究磁相互作用机制和自旋-晶格耦合的特征，深入理解系统的磁、电、热特性的物理本质，拓展人们对过渡金属化合物的结构与物性之间关系的认识，为寻找新型的磁电材料和磁热材料提供参考。

利用传统的固相烧结方法，通过对样品制备工艺的摸索和优化，合成了Co1−xCuxCr2S4系列铬基硫化物，除CuCr2S4含有明显CuCrS2的杂相外，其余均为单相。XRD数据分析显示该系列化合物是很好的固溶体。该系列化合物中随Cu含量增加，晶胞参数线性收缩，遵循Vegard定律。 结合磁性测量研究发现随Cu含量增加，总自发磁化强度线性增大；磁相变温度线性增加。定量地，单胞中每增加一个Cu原子，晶胞体积减小6.4 Å3，自发磁矩增大0.33 μB/f.u.，居里温度升高18 K。通过Cu掺杂成功将Co0.4Cu0.6Cr2S4的居里温度调制至室温，居里温度为303 K, 磁熵变为2.57 J/kg•K。此工作为尖晶石硫化物室温磁热效应研究提供一个可行的研究思路。. 利用第一性原理计算，系统研究了CuCr2X4 (X = S, Se, Te) 的晶格结构、电荷密度、电子态密度、能带结构、原子有效电荷及力学性质等基本物性。结果显示三种物质不是典型的离子晶体，均有很大的共价键成分；优化三种物质晶格常数与实验值的误差在1%之内，泊松比非常接近，弹性常数都满足尖晶石立方晶系的力学稳定性条件；材料的宏观磁化源于Cr离子较大的自旋极化效应。. 研究AgCrS2化合物中B类掺杂的磁电特性变化。通过无磁性的Al离子对Cr离子的替代，诱导出倾斜的类螺旋磁结构，从而提高磁电耦合系数，增强磁场对物质电性能的调控。在7T外场下，2% Al掺杂样品的介电常数变化率高达90%，该结果为获得大的磁致电容效应提供一种新的实现途径。. 细致分析了LiFe1-xMnxPO4系列化合物高分辨中子粉末衍射数据，发现Mn含量对Li-O键长的调控规律，从微观晶体结构层面上给出了LiMnPO4电压平台为4.1 eV比LiFePO4中3.5 eV高的原因。. 设计、加工、组装并调试了一台中子用压力容器，希望通过外加压力条件下的中子散射实验测量ACr2S4体系的磁结构和晶体结构，从另一维度上给出其磁电耦合的微观图像。目前设备加工完成，还在调试和定标。