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基于中子衍射分析的稀土Laves相(R,R’)Co2体系的反常热膨胀和近零滞后低场巨磁热效应的相关机理研究

批准号:
52101228
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
郝嘉政
依托单位:
学科分类:
金属功能材料
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
郝嘉政

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
稀土Laves相RCo2化合物是最受瞩目的稀土基功能磁性材料之一。申请人前期通过化学掺杂在(R,R’)Co2化合物中分别获得近零膨胀和近零滞后低场巨磁热效应,但二者的相关机理尚不明确。目前人们对该类化合物相变及物性研究主要关注其单胞尺度的平均表观结构和宏观物性的演变规律。本项目基于中子粉末衍射(NPD)和中子全散射原子对分布函数(nPDF)方法,引入“真实键长”作为新的相变影响因素。以(R,R’)Co2化合物为研究对象,结合NPD和nPDF研究化学掺杂对原子占位、局域结构、表观结构及磁结构演化规律的影响,重点探究R-R/R-Co/Co-Co的“表观键长”及“真实键长”的变化与相变、负热膨胀、滞后和磁热效应的内在关联。利用第一性原理计算研究电子结构对相变及滞后大小的影响,建立相变势垒与滞后大小的对应关系,提取一级相变滞后的核心调控参数。该项目对于推动新型稀土基功能材料设计和优化具有重要意义。
英文摘要
The Laves phase RCo2 compound is one of the most noticed rare-earth-based functional magnetic materials. We obtained near-zero thermal expansion and near-zero hysteresis low-field giant magnetocaloric effects by chemical doping in the (R,R’)Co2 compounds in the early stage, but the related mechanism of the two are not clear yet. At present, the research on phase transition and physical properties of these compounds mainly focuses on the evolution law of the average apparent structure of the unit cell scale and macroscopic physical properties. This project introduces the “true bond length” as a new factor affecting phase transition, based on neutron powder diffraction (NPD) and neutron total scattering and atom pair distribution function methods(nPDF). We take the (R,R’)Co2 compounds as the research objects, combined with NPD and nPDF to study the influence of chemical doping on the evolution of atomic occupancy, local structure, apparent structure, and magnetic structure, focusing on the inner relationship between the changes of R-R/R-Co/Co-Co "apparent bond length" and "real bond length" and phase transition, negative thermal expansion, hysteresis and magnetocaloric effects of (R,R’)Co2 compounds. Then, we use first-principles calculations to study the influence of the change of the electronic structure on the first-order phase transition and the magnitude of the hysteresis from a theoretical perspective, and establish the corresponding relationship between the phase change barrier and the hysteresis,and then extract the core control parameters of the first-order phase transition hysteresis. This project has important scientific significance for promoting the design and optimization of new rare-earth-based functional materials.
相变材料在固态制冷、磁传感、磁驱动、磁存储、能量转换、人工智能等众多领域都有引人瞩目的应用前景,是材料科学和凝聚态物理学的研究热点。相变材料的固态热效应的物理本质是非热外场对固体相变材料多种自由度的有序-无序转变的有效调控。中子散射技术可以探测多个时空尺度的原子/自旋结构的精细信息,具有极强的穿透能力可以实现材料在复杂外场样品环境下的原位表征。通过研究相变材料在复杂外场下的多尺度原子/磁性结构的演化规律可深入探讨固体材料的相变及固态热效应机制,进而解决固态热效应在实用化进程中存在的低场热效应小、制冷温区窄、滞后损耗大的瓶颈问题。本项目本项目立足于这些需求,以稀土基Laves相(R,R’)Co₂化合物体系为研究对象,通过化学掺杂、中子粉末衍射/全散射分析和第一性原理计算,系统揭示了近零滞后低场巨磁热效应与近零热膨胀的物理机制。成功开发出(Ho,Er)Co₂新型一级相变材料,在0-2T低磁场下实现巨磁热效应(ΔS~-17.8 J·kg⁻¹·K⁻¹),且相变滞后近乎为零;通过Fe替代Co设计出Ho(Co,Fe)₂超低热膨胀材料,其线膨胀系数αₗ~4.1×10⁻⁷ K⁻¹(5-300K),显著优于传统因瓦合金。结合原位中子衍射与理论计算,阐明了稀土四极矩竞争调控晶场劈裂能、弱化磁弹性耦合的相变机制,提出“晶场-磁交换动态补偿”模型,为低滞后固态制冷材料与宽温区近零膨胀材料的设计提供了新范式。本项目研究成果形成“结构-性能-机制”完整理论链条,推动了稀土基功能材料在固态制冷与精密器件领域的应用突破。
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