Mn3-xYxSn哈斯勒合金的结构和磁性研究

Due to the high spin polarization, high Curie temperature, low saturate magnetization and low Gilbert damping of Novel tetrahedral phase Mn3-based Heusler alloy, it has a potential application prospect as a intelligent material, and has drawn a great of interest in the area of condensed matter physics and material science. The hexagonal Mn3-based heusler alloy is also a candidate material for spintronic device since its frustrating triangular antiferromagnetism accompanied by a weak parasite ferromagnetism. However, previous investigations manifested that the not-low-enough saturate magnetization and lattice mismatch with MgO have restricted in spin-torque-transfer application in some extends. In this project, we will focus on Mn3-xYxSn as our target material, and investigate the relationship between the doping of the transition metal Y and structural/magnetic phase transition systematically. We will also control the doping amount to tune the occurrence of phase transition combining with related theory to look inside the physical mechanism underlying these two kinds of phase transition. Meanwhile, the magnetic phase exchange coupling mechanism between magnetic phases, as well as spin relaxation in the phase coexistence material will make clear to provide useful and fundamental information for multifunctional Mn3-based Heusler alloys.

新型的四方相Mn3基哈斯勒合金由于其较高的自旋极化率和居里温度，以及较低的饱和磁化强度和吉尔伯特衰减因子，作为一种智能材料具有潜在的应用前景，现已成为凝聚态物理和材料科学的研究热点之一。另外，六角相Mn3基哈斯勒合金由于其阻挫三角反铁磁性伴随着弱铁磁性，也可作为自旋电子器件的功能材料。然而，前期的研究表明Mn3基哈斯勒合金的饱和磁化强度不够低以及与MgO的晶格失配限制了其作为自旋转移矩材料的应用。本项目将以Mn3-xYxSn作为主要研究对象，通过系统地研究第三种元素Y的引入与结构相变以及磁相变的关系，并合理地控制掺杂量调控相变的发生，结合相关理论挖掘结构相变和磁相变的物理机制。同时，对于相共存Mn3-xYxSn哈斯勒合金，研究其内部各相的交换耦合机制、以及其自旋弛豫机制,为实现Mn3基合金作为多功能智能材料提供重要的基础研究资料。

本项目系统地研究了具有六角、立方、四方、正交以及单斜调制结构的Mn基哈斯勒合金中的磁相变现象，并详细地研究了其伴随着的丰富的物理现象，如磁热效应、负热膨胀、磁致应变、压卡效应、压磁效应、磁电阻等。在压磁效应方面，多晶Mn3Sn合金的磁性在1.3GPa的等静压下实现了53%提升。磁热效应方面，提出了一种基于Clausius-Clapeyron（C-C）方程计算等温磁熵变的方法。此方法简单易行，而且克服了Maxwell方法经常出现赝峰的问题，而且可将其拓展到计算压卡效应的等温熵变。在Mn3Sn，Mn-Ni-Ga，Mn-Ni-In，Mn-Ni-Ge等多种Heusler体系中均获得了较大的等温熵变或制冷量。如在特定成分的Mn-Ni-Ga中发现了连续磁相变，在保持较大熵变的同时，拓宽了相变温区，实现了较大制冷量。负热膨胀方面，在环氧树脂粘结的MnNiGe体系中在宽温区内实现了0.65%的负热膨胀。磁致应变方面，在Ni-Co-Mn-Sn和Ni-Co-Pd-Mn-In等中实现了较高的磁致应变，并且具有一定的可回复性。压卡效应方面，在Ni-Co-Mn-Ga、Ni-Co-Mn-In中均实现了较高的熵变值。这些Mn基哈斯勒合金的一级磁结构密切相关的功能性研究，为今后探寻新型磁相变材料具有一定的借鉴意义。