1:2:2型化合物磁性与磁相互作用的中子衍射研究

This proposal meets the construction of the two scientifical platforms CARR and CSNS, and the requirements of developing national neutron scattering. The mechanisms of exchange interaction of RMn2-xTxSi2C, RFeCoSi2C and AlFe2B2 serial single- and poly- crystal compounds will be studied using neutron diffranction technique as the main method.To obtain the samples of high quality,we will try arc-melting, strip-casting, melt-spinning , Czochralski methodes etc and develop the best heattreatment process. Neutron diffraction patterns will be collected in various environments such as high/low temperatures, pressures and magnetic fields,with which the relationship between the crystal structure and the magentic structure and the evolutive rules will be studied systematically.The ab-initio calculations will also be conducted as another aspect to analyse the interaction mechanisms. The reasearch can not only expand the knowledge of the interactions of transition-metal elements and Rare-earth elements which limits the improvement of the performance of the materials and discovery several potential candidates for permanent magnet and refrigeration,but also promote the technology of neutron diffraction and the talent-training in the correlative fields.

本项目配合中国先进研究堆、散裂中子源两大科学平台建设，适应我国中子散射技术发展的迫切需求，拟用中子衍射为主要手段研究RMn2-xTxSi2C、RFeCoSi2C和AlFe2B2三个系列单晶和多晶化合物的结构、磁性与磁相互作用机理。采用熔炼、速凝、甩带和提拉法等方式及最佳热处理工艺，制备出高质量的化合物，通过变温、高压、磁场下的高强度和高分辨中子衍射，系统研究晶体结构、磁结构及其随温度变化规律，结合磁性测量、透射电镜、穆斯堡尔谱、磁圆二色谱测量和第一性原理计算，从理论上分析其磁相互作用机理。研究有助于：推动中子衍射技术在我国的应用和发展，积累技术，培养人才；了解3d过渡族元素与稀土元素磁相互作用的本质，为磁学理论的发展做出贡献，并为进一步提高磁性能提供理论指导；发现具有良好应用前景的新型高性能磁性材料和磁制冷材料等磁相关效应材料。

研究了R(Mn,Cr)2Si2系列化合物的结构、磁性及间隙原子效应。发现在碳化物中，随着Mn含量从0到2的变化出现了明显的结构演化，由Mn含量较低时的CeCr2Si2C结构逐渐演变为含量较高的ThCr2Si2型结构，晶格常数随R原子半径减小而减小。中子衍射研究发现其具有复杂的非饱和磁结构。C的引入对NdMn1.7Cr0.7Si2的磁性有非常大的影响，室温附近由反铁磁有序变为亚铁磁有序。Mn-Mn间距小于2.84 Å 时在室温下仍形成了倾斜铁磁排列，打破了无C化合物中Mn-Mn间距小于2.84 Å 时只能形成反铁磁排列的说法。磁热效应研究发现C原子的引入对磁热效应有明显的增强作用。变温中子衍射确定了C原子的间隙晶位。不同稀土化合物的变温中子衍射分析发现C的引入对稀土磁矩的影响较小。此外，电性及吸波性能研究发现部分化合物具有相当优良的高频吸波性能。.成功用Ge替代Si制备了1:2:2相化合物及其碳化物，Ge掺杂使相应的晶格常数增大，晶体结构逐渐向NdMn2Ge2的结构转变。NdMn1.7Cr0.3Si2-xGexC系列化合物都具有多个磁转变温度，且随着Ge元素掺杂，化合物在低温处出现再入自旋玻璃态。.用布里奇曼法和助熔剂法进分别制备出了在 [101] 和 [100] 方向高度取向的Mn2Sn样品。两种样品存在明显的磁晶各向异性，磁热效应的测量发现，[100] 方向生长的样品的最大磁熵变和相对制冷能力RCP明显高于 [101] 方向生长的样品。Mn2Sn单晶的制备条件的探索和磁晶各向异性的研究为1：2：2型化合物的单晶制备奠定了良好的实验基础。在上述研究基础上，进行了新磁致冷材料Gd7Pd2-XFe的探索，更接近于室温，且有较宽的熵变范围，是具有发展前景的磁制冷材料。.在高强度粉末中子衍射仪的升级改造工作中，制定并实施了单色器屏蔽的改进方案。方案实施后可以为高低温，高压、磁场等样品环境提供足够的空间，使谱仪测角范围从0°-105°提高到0°-150°，谱仪分辨率进一步提高。培养多名本科生、硕士生和博士生。