新型锰基反钙钛矿结构恒电阻率材料探索及机理研究

Antiperovskite manganese compounds ANMn3 (A=Cu,Ga,Sn,and so on) have a simple crystal structure and show many interesting functional properties. Especially, it becomes an important candidate of constant resistor due to the properties including low temperature coefficient of resistance(LTCR), low pollution and cheap raw materials.Now,the exploration of unchangable resistance based on this type of material is seldom carried out, and the physical mechanism hasn't been studied throughly. In this project, we try to introduce dopants at N and Mn sites of the parent compound ANMn3(A=Cu,Ag,Ni,Co), control the electronic structure, and find several samples with LTCR ; We also detailedly characterize the sample's crystal structure and study the evolution of electronic tranport, magnetization, heat transport. Combined with the theoretical study, we attempt to present the possible physical mechanism for the LTCR and supply reference for exploring metallic LTCR materials with wide temperature range.

反钙钛矿结构锰基氮化物ANMn3(A=Cu、Ga、Zn等)具有简单晶体体结构，展现了丰富的功能属性。其宽温区低电阻率温度系数，加之高稳定性、原料廉价及环境友好等优点使之成为探索恒电阻率材料的新体系。元素掺杂是优化其性能参数的重要手段，而目前相关实验主要集中在A位掺杂，且物理机制研究尚不深入。根据此类材料的电子能带结构特点及我们的先期实验结果，本项目拟通过对ANMn3(A=Cu、Ag、Ni、Co)中的N、Mn位掺杂来调节其电子结构，进而优化其电阻率温度系数，探索具有应用前景的恒电阻率材料；同时研究掺杂样品的晶体结构、电/热输运、磁性等的演变规律及相互关联，并结合理论计算，尝试建立相应的理论模型，为探索新型宽温区恒电阻率金属材料提供参考依据。

本基金在执行的三年时间里主要对反钙钛矿材料体系的低电阻率温度系数（TCR）这一性能进行了优化并探索了相关的物理机制。在低TCR性能优化方面：1）我们制备了多种具有反钙钛矿结构的母体化合物（ANMn3，其中A = Cu, Ag, Zn, Ga, Pd），并通过化学元素替代的方法，成功优化了多个体系的TCR性能，证明N/Mn位的元素替代是优化反钙钛矿体系TCR性能的一种有效途径。例如：我们基于AgNMn3母体化合物，通过N位引入C和Mn位引入Co的方法，分别在AgN1-xCxMn3和AgNMn3-xCox两组样品中实现了由正到负、连续可调的TCR值，此结果意味着当元素替代量最优时可以实现近零的TCR值。2）我们还通过磁场下烧结的方法进一步优化了ANMn3(A = Cu, Ag)等体系的TCR性能，这也预示着一种全新的基于反钙钛矿材料体系的TCR性能调控方法。在相关物理机制探索方面：我们通过霍尔、电子顺磁共振、电输运、宏观磁性等多种测试手段探索该体系TCR值调控的机理，结果表明元素替代所导致的晶格无序、载流子浓度以及局域磁散射等的变化均是影响TCR值演化的主要因素。由于反钙钛矿体系中存在着电子、自旋、晶格等的关联效应，因此这一体系也呈现异常丰富的功能属性和物性，这也使得我们在对该体系TCR性能进行调控的过程中发现了其它一些有意义的结果，例如在颗粒状的GaNMn3中发现了宽温区巨负热膨胀现象、在少量化学元素替代的Ga1-xNMn3+x中发现了零场冷交换偏置现象等。以上相关工作较好的完成了基金任务书中的研究内容，共计发表标注本基金号（51301167）的SCI论文10篇，其中包括4篇Applied Physics Letters, 1篇Scientific Reports, 1篇Scripta Materialia, 2篇Journal of Applied Physics, 1篇RSC Advances和1篇Physica Status Solidi B。本项目的研究结果证实了两种调控低TCR性能的新思路，获得了几种近零/低TCR材料，同时加深了对该体系TCR调控物理机制的认识，这对于进一步优化该体系的低TCR性能有很好的指导意义。