锰铁磷(锗/硅)系磁制冷材料中关键科学问题的研究

MnFeP(Ge/Si) system is one of the most potential candidates for magnetic refrigeration materials at room temperature. But some important scientific problems need to be solved such as the large thermal and magnetic hysteresis large, low efficiency of the field-entropy. And until now, the effecting of short-range magnetic ordering and preferred orientation on the magnetocaloric properties are not clear. Moreover, the research on microscopic mechanisms and practical application are not enough. Actually these are common problems for most first-order transition magnetocaloric materials. .In order to solve these problems and meet the application requirements, the present project will be focused on the following aspects: 1) the formation and variation of magnetic domains and the short-range ordered magnetic structure during the magnetic phase transition process, 2) the coupling between domain and grain size, 3) the effects of trace element substitution and doping, crystal orientation on the structures and properties, 4) calculation of the charge density distribution of alloys and its relationship with the performances. Finally, the optimized MnFeP(Ge/Si) alloys will be applied on special designed magnetic refrigerators, the cooling capacity and cooling efficiency of the alloys will be evaluated based upon the cycling experiment. .By studying the effects and mechanisms of the material composition and distribution, grain size, crystal orientation, stress and defects on the properties of alloys; the physical mechanism of alloy magnetocaloric effect will be understood from the basic level of electronic structure, magnetic structure and magnetic phase transition. Novel MnFeP(Ge/Si) compound with excellent MCE will be fabricated. This work will be benefit to solve the key scientific problems existing in MnFeP(Ge/Si) materials, to achieve a related technology breakthrough in performance in new materials, and to provide some important scientific basis for the commercial application of room temperature magnetic refrigeration materials.

MnFeP(Ge/Si)合金是最具应用潜力的新型室温磁制冷材料之一，但存在热滞及磁滞后较大、场熵效率有待提高、短程磁有序和择优取向影响性能、微观机理研究不够深入、磁热性能缺乏实际应用评定等一级相变磁热材料存在的普遍问题。为此，项目拟根据应用要求，针对这些问题，开展以下研究：1)探讨磁相变过程中磁畴及短程有序磁结构的形成及变化规律，2)研究磁畴与晶粒尺寸的耦合关系，3)探索元素替代和掺杂、晶体择优取向对性能及结构的影响，4) 计算系列合金电荷密度分布并研究其与磁结构及性能的关系。通过深入研究材料成分组成和分布、晶粒尺寸及取向、内应力和缺陷等关键因素对合金性能的影响规律和微观作用机理；从电子结构、磁结构和磁相变的基本层面理解合金磁热效应的物理机制，优化磁热性能。最后，将高性能合金用于专门设计的磁制冷机上，通过循环使用效果进行合金制冷能力和效率评价，为室温磁制冷材料的商业化提供科学和技术依据。

MnFeP(Ge/Si)系列化合物是最具应用潜力的新型室温磁制冷材料之一，但存在热滞及磁滞后较大、力学性能和导热能力较差、微观机理研究不够深等一级相变磁热材料存在的普遍问题。项目根据应用要求，开展了一系列研究。全面建立了成分组成、制备工艺、相变过程、微观结构、电子结构及材料性能之间的有机联系，理解了成分及微观结构对材料性能的作用机理。探寻发掘了化合物在发生顺磁-铁磁一级相变前存在的磁性孕育阶段及相变临界温区复杂过程的产生机理，并建立了相变过程中晶体结构及磁结构改变与电子密度重新分布的耦合关系。发现了过渡金属与非过金属原子之间的共价键变化对结构和磁性的转变所起的重要作用，并通过调节共价键的结合达到对磁热性能的优化。建立了材料相变过程中应力、杂质等因素的作用，得到了提高材料导热性的方法和途径。探明了材料磁热滞的物理本质及其消除方法。通过全面优化，优选出性能优良的实用化室温区磁制冷材料，并为获得低应用磁场、高磁热效应的低成本室温区磁制冷新材料提供了科学和技术依据。.在研究计划之外，开发研制了符合磁制冷材料实际应用要求的电脉冲强磁场，磁场强度可达到1.4特斯拉以上，磁场强度和持续时间通过电流控制，而且持续时间没有长度限制，建立了磁场强度与磁场分布区域的关系。.另外，课题的研究为其它功能材料的研究及应用提供了重要的借鉴，依据所建立的材料晶体结构、磁结构及其与材料性能关系的研究思路，成功将磁热材料拓展到拓扑霍尔效应材料，在NdMn2Ge2化合物中发现了巨拓扑Hall效应和斯格明子，有望用于室温自旋器件。并研究发现了在Mn5Ge3单晶和Mn5Ge3/Mn3.5Fe1.5Ge3单晶异质结中存在的各向异性磁热效应，其磁热效应工作温区宽，有望用于室温磁制冷。而且发掘了一类具有面内高异性、潜在高迁移率的新型准一维各向异性的层状材料MP15(M=Li, Na, K)。系统研究了其电子结构、载流子输运性质、各向异性的声子振动模式及光致发光特性，系列研究工作有望激发未来对准一维层状材料的研究兴趣。.