Mn基反钙钛矿结构不同位置取代对磁性和电输运性质的调控研究

反钙钛矿结构Mn3AX掺杂后表现出负热膨胀和巨磁阻等新奇的物理特性，是制作高精度零膨胀光学和机械零件、自旋电子器件的新型材料，在国防、航天、精密机床等领域有着重要的用途。针对不同位置取代对磁性和电输运性质的影响缺乏研究的现状，本项目以Mn3AX结构为研究对象，系统地开展不同位置取代对结构电磁性质的调控研究。项目拟采用固相反应法制备样品，利用SQUID、PPMS等物性测试技术，结合电镜分析、化学分析等手段，系统地研究不同位置取代后物性的变化规律，采用第一性原理对电磁性质进行理论模拟研究。分析不同位置取代后电磁性质的作用机制，探索可能的新现象和新规律，揭示取代元素种类、含量-取代位置-电磁性质的内在关联，对于发掘Mn3AX结构的物理内涵，拓展其应用领域具有重要的意义。

在Mn3AX结构中存在着许多新奇的物理现象，如负热膨胀、磁致电阻和磁弹性等，而这些特性在国防、航空、航天、军事、精密机床、高精度光学等领域有着重要的用途。因此，开展Mn3AX结构电磁性质的研究是十分必要的。虽然国内外研究先后在Mn3Ag1-xCuxN，Ga1-xZnxCMn3，Mn3Zn1−xGexN，Mn3Cu0.5Ge0.5N 等体系的顶角位置取代开展了卓有成效的工作。但是，顶角位置1a (0, 0, 0) 处的取代元素种类较少，针对Mn3AX顶角位置取代对电磁性质影响的系统性研究尚未开展。因此，我们以Mn3CuN母体材料为基础对顶角位置取代的电磁性质影响展开了深入研究。首先，研究了Mn3CuN相变的临界行为，其临界行为可以被划分为两个区域：i) 在高于居里温度区域ZI (T > Tc)内，Mn3CuN的磁行为接近平均场模型（mean-field model）的预测，ii) 而在低于居里温度区域ZII (T < Tc)内，磁相互作用的衰减为J(r) ~ r−4.8，介于Heisenberg model和mean-field model之间，表明该区域的磁行为可被电子局域性和巡游性的相互竞争来描述。接着研究了Mn3Cu1-xZnxN系列样品，其中组分为Mn3Cu0.5Zn0.5N的样品表现出了几个奇特的现象：i）在5K到140K的低温范围内，当外加磁场在30kOe（40kOe）下时磁阻超过~1%（~2%）的温度跨度~70K（~25K）；ii）在100-200K温度范围内，磁阻出现了波动，并且在~140K时观察到磁阻值由负反转为正值。比热分析揭示反转可能源自反铁磁到铁磁相变过程中费米面的重构。组分为Mn3Cu0.1Zn0.9N的样品研究发现，由于Cu对Zn的取带使得铁磁态（FM）增强，反铁磁（AFM）基态减弱，导致了温度-磁化曲线表现出了“凸”型特征；同时样品体现出典型的金属导电性，但是电阻率在TN附近出现明显的斜率变化，这与反铁磁—顺磁（AFM-PM）相变紧密相关。在Mn3Cu1-xGaxN系列样品中，Mn3Cu0.7Ga0.3N被证实存在自旋玻璃态，这种行为归结于空间群Pm-3m结构1a (0, 0, 0)位置Cu/Ga原子的随机占据所引起的少量混乱或共同作用产生的阻挫。