新型錳基反鈣鈦礦結構恆電阻率材料探索及機理研究

《新型錳基反鈣鈦礦結構恆電阻率材料探索及機理研究》是依託中國科學院合肥物質科學研究院，由林建超擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：新型錳基反鈣鈦礦結構恆電阻率材料探索及機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：林建超
• 依託單位：中國科學院合肥物質科學研究院

項目摘要

反鈣鈦礦結構錳基氮化物ANMn3(A=Cu、Ga、Zn等)具有簡單晶體體結構，展現了豐富的功能屬性。其寬溫區低電阻率溫度係數，加之高穩定性、原料廉價及環境友好等優點使之成為探索恆電阻率材料的新體系。元素摻雜是最佳化其性能參數的重要手段，而目前相關實驗主要集中在A位摻雜，且物理機制研究尚不深入。根據此類材料的電子能帶結構特點及我們的先期實驗結果，本項目擬通過對ANMn3(A=Cu、Ag、Ni、Co)中的N、Mn位摻雜來調節其電子結構，進而最佳化其電阻率溫度係數，探索具有套用前景的恆電阻率材料；同時研究摻雜樣品的晶體結構、電/熱輸運、磁性等的演變規律及相互關聯，並結合理論計算，嘗試建立相應的理論模型，為探索新型寬溫區恆電阻率金屬材料提供參考依據。

結題摘要

本基金在執行的三年時間裡主要對反鈣鈦礦材料體系的低電阻率溫度係數（TCR）這一性能進行了最佳化並探索了相關的物理機制。在低TCR性能最佳化方面：（1）我們製備了多種具有反鈣鈦礦結構的母體化合物（ANMn3，其中A = Cu, Ag, Zn, Ga, Pd），並通過化學元素替代的方法，成功最佳化了多個體系的TCR性能，證明N/Mn位的元素替代是最佳化反鈣鈦礦體系TCR性能的一種有效途徑。例如：我們基於AgNMn3母體化合物，通過N位引入C和Mn位引入Co的方法，分別在AgN1-xCxMn3和AgNMn3-xCox兩組樣品中實現了由正到負、連續可調的TCR值，此結果意味著當元素替代量最優時可以實現近零的TCR值。（2）我們還通過磁場下燒結的方法進一步最佳化了ANMn3(A = Cu, Ag)等體系的TCR性能，這也預示著一種全新的基於反鈣鈦礦材料體系的TCR性能調控方法。在相關物理機制探索方面：我們通過霍爾、電子順磁共振、電輸運、巨觀磁性等多種測試手段探索該體系TCR值調控的機理，結果表明元素替代所導致的晶格無序、載流子濃度以及局域磁散射等的變化均是影響TCR值演化的主要因素。由於反鈣鈦礦體系中存在著電子、自旋、晶格等的關聯效應，因此這一體系也呈現異常豐富的功能屬性和物性，這也使得我們在對該體系TCR性能進行調控的過程中發現了其它一些有意義的結果，例如在顆粒狀的GaNMn3中發現了寬溫區巨負熱膨脹現象、在少量化學元素替代的Ga1-xNMn3+x中發現了零場冷交換偏置現象等。以上相關工作較好的完成了基金任務書中的研究內容，總計發表標註本基金號（51301167）的SCI論文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。本項目的研究結果證實了兩種調控低TCR性能的新思路，獲得了幾種近零/低TCR材料，同時加深了對該體系TCR調控物理機制的認識，這對於進一步最佳化該體系的低TCR性能有很好的指導意義。