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基于价电子密度对R5X4体系的一级磁相变调控和新相探索的研究

批准号:
51301116
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
25.0 万元
负责人:
姚金雷
依托单位:
学科分类:
金属功能材料
结题年份:
2016
批准年份:
2013
项目状态:
已结题
项目参与者:
沈娇艳、赵蒙、唐运海、程亚飞、张卫

项目摘要

结项摘要

项目成果

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中文摘要
本项目利用价电子密度作为R5X4(R=稀土元素,X=主族元素)体系一级磁相变的调控手段和新相探索的依据。对于一级磁相变的调控,我们拟改变Gd5SixGe4-x的价电子密度,降低滞后效应,增强低磁场下的磁熵变、磁电阻等效应。对于新相探索,基于R5X4相存在的价电子密度范围,设计出不含碳族元素的新相,例如R5TrxPn4-x(Tr=Al, Ga, In;Pn=P, Sb, Bi)、R5TrxQ4-x(Q=S, Se, Te)。利用第一原理计算论证设计材料的结构稳定性和预测其物理性能。实验上,采用多种固态合成方法(高温固相反应、电弧熔炼、高频感应加热、金属溶剂、化学气相传输等)制备所需材料。运用XRD、SEM-EDS、PPMS等手段研究晶体结构、成分,探索发现半金属性等新的物理性能。结合实验和理论结果,阐明晶体结构-成键-性能之间的本质关系,为稀土磁相变材料的性能优化和新相探索提供新的思路。
英文摘要
This project is to tune first-order magnetostructural transitions and to explore novel phases of R5X4 (R=rare-earth atoms, X=main-group atoms) system through valence electron concentration (VEC). For manipulation of first-order magnetostructural transitions, we aim to decrease the magnetic hysteresis effect of Gd5SixGe4-x and to enhance its magnetocaloric and magnetoresistance effects in low magnetic field by adjusting VEC. For exploration of new phases, the non-tetrelide-containing R5X4 compounds, such as R5TrxPn4-x (Tr=Al, Ga, In;Pn=P, Sb, Bi), R5TrxQ4-x (Q=S, Se, Te), can be designed based on the VEC range in which the R5X4 phases survive. The structural stability and physical properties of designed compounds will be verified by employing first-principles calculations. Experimentally, the targeted materials are attempted to prepare by multiple solid-state synthesis methods, such as high-temperature solid-state reaction, arc melting, high-frequency induction heating, metal flux, chemical vapor transport and so on. The crystal structures, composition and novel physical properties (e.g., half metal) will be investigated by using XRD, SEM-EDS, PPMS etc. The theoretical and experimental data will be combined to be analyzed to illustrate the structure-bond-property relationship, paving a new route to property optimization and searching for new phases of rare-earth-based magnetostructural transition materials.
磁制冷是基于磁性材料的磁热效应发展而成的制冷技术,具有绿色环保、高效节能和稳定可靠等优点。室温磁制冷技术的核心之一是寻找性能优越的磁相变材料。本项目以价电子密度调控为手段,探索大磁热效应的室温磁致冷材料,取得的主要研究成果有:(1)发现6种通式为R5GaSb3的稀土新化合物,其中R=Gd-Er和Y,为正交的Sm5Ge4型结构(空间群为Pnma)。这个体系的化合物不含碳族元素(Si、Ge和Sn),而之前的绝大部分研究都是在碳族化合物进行的,比如Gd5(Si,Ge)4和Gd5Sn4。(2)除了Y5GaSb3呈顺磁性,R5GaSb3(R=Gd-Er)都为铁磁性,居里温度分别为222K、143K、89K、59K和39K,在0-50kOe磁场下的最大磁熵变为-7.7、-14.2、-18.7、-28.5和-35.8J/(kg K),属于二级相变,无热滞效应。(3)发现5种R5GaBi3(R=Gd-Er)的稀土化合物,为Sm5Ge4结构,呈铁磁性,居里温度分别为208K、131K、81K、53K和25K,在0-50kOe磁场下的最大磁熵变为-7.8、-14.1、-18.5、-28.4和-36J/(kg K),属于二级相变。(4)R5GaSb3和R5GaBi3体系中,主族元素Ga/Sb和Ga/Bi表现出明显的原子择优占位,这和经典的Gd5(Si,Ge)4体系随机占位不同。主族元素的择优占位与原子的大小、电负性、价电子数等相关。(5)发现5个R5Ge4新相的粉末XRD谱收录为国际衍射数据中心(ICDD)标准谱,编号为I02625(Eu1.5Gd3.5Ge4)、I02626(Eu2Gd3Ge4)、I02627(Eu0.5Gd4.5Ge4)、I02628(EuGd4Ge4)和I02629(Eu2Y3Ge4)。(6)合成出Tb-Ge-Sb和Tb-Ge-Bi合金,通过改变Sb/Bi的含量而使居里温度在270~340K和235~350K的宽温区变化,在0-20kOe磁场下的最大磁熵变为-3.7和-4.3J/(kg K),属于二级相变,具有良好的热磁可逆性。(7)发现Tm5Ge4的结构为Sm5Ge4型,反铁磁性(TN=21K)。低温时,表现出类自旋玻璃的磁性为,可视为在反铁磁基底上镶嵌着铁磁团簇。Tm5Ge4是R5Ge4系列最后一个未被表征磁性的化合物,我们的结果完善了R5Ge4系列的磁性研究。
期刊论文列表
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Magnetic order and crystal structure study of YNi4Si-type NdNi4Si
YNi4Si型NdNi4Si的磁序及晶体结构研究
DOI: 10.1016/j.jssc.2014.11.016
发表时间: 2015-02
期刊: Journal of Solid State Chemistry
影响因子: 3.3
作者: [Yu S. Koshkid?ko, A. E. Bogdanov, S. A. Nikitin, W. Suski]
通讯作者: W. Suski
Giant magnetic coercivity in CaCu5-type SmNi3TSi (T=Mn–Cu) solid solutions
CaCu5 型 SmNi3TSi (T=Mn−Cu) 固溶体中的巨磁矫顽力
DOI: 10.1016/j.jssc.2015.09.024
发表时间: 2015-12
期刊: Journal of Solid State Chemistry
影响因子: 3.3
作者: [Jinlei Yao, Xu Yan, A. V. Morozkin]
通讯作者: A. V. Morozkin
Giant magnetic coercivity in orthorhombic YNi4Si-type SmNi4Si compound
正交晶系YNi4Si型SmNi4Si化合物的巨磁矫顽力
DOI: 10.1016/j.jssc.2015.07.012
发表时间: 2015-10
期刊: Journal of Solid State Chemistry
影响因子: 3.3
作者: [Jinlei Yao, A. V. Morozkin]
通讯作者: A. V. Morozkin
Giant magnetic coercivity in YNi4B-type SmNi3TB (T=Mn–Cu) solid solutions
YNi4B型SmNi3TB(T=Mn-Cu)固溶体中的巨磁矫顽力
DOI: 10.1016/j.jmmm.2016.06.034
发表时间: 2016-12
期刊: Journal of Magnetism and Magnetic Materials
影响因子: 2.7
作者: [Chang Yan, V. O. Yapaskurt, A. V. Morozkin]
通讯作者: A. V. Morozkin
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    具有金刚石结构的碱金属基I2-II-IV-VI4型四元硫属化合物的新相探索与物性研究
    • 批准号:
      21771136
    • 项目类别:
      面上项目
    • 资助金额:
      64.0万元
    • 批准年份:
      2017
    • 负责人:
      姚金雷
    • 依托单位:
    国内基金
    海外基金