中國粉體網(wǎng)訊 兼有磁性和晶體結(jié)構(gòu)相變（熱彈性一級相變，即馬氏體相變）的磁性材料，稱為磁相變材料，是目前磁性材料領(lǐng)域中僅次于永磁和軟磁材料的重要功能性材料。由于這類材料中原子磁矩的鐵磁性和晶格的鐵彈性都非常突出且耦合緊密，因此它也是一種高效的多鐵性功能材料。在相變過程中，體系的晶體對稱性、軌道分布、電子結(jié)構(gòu)和磁有序結(jié)構(gòu)等物理狀態(tài)都發(fā)生顯著的變化和重構(gòu)，表現(xiàn)出磁驅(qū)形狀記憶、磁驅(qū)大應(yīng)變、大磁熱效應(yīng)、大磁電阻、磁交換偏置、相變相關(guān)的霍爾效應(yīng)等許多豐富的、明顯的和可資應(yīng)用的物理效能。由于磁格和晶格的緊密耦合，凡是可對晶格和磁性任一方施加影響的物理作用（如，溫度、應(yīng)力和磁場等）都會通過磁-結(jié)構(gòu)耦合影響到另外一方；而兩種以上的物理作用同時作用在材料上，將在一個多維的作用空間中，實現(xiàn)各種不同途徑的狀態(tài)轉(zhuǎn)變。這就是大家常說的“多場調(diào)控”。采用材料物理的手段，通過調(diào)節(jié)相變相關(guān)的物理參量，改變兩相平衡的臨界條件，可以將材料的有關(guān)特性針對其應(yīng)用要求進行優(yōu)化。由于在相變物理的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域以及智能材料、傳感器、驅(qū)動器、信息存儲、磁制冷/熱、熱電轉(zhuǎn)換等潛在應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義，磁-結(jié)構(gòu)相變成為各國長期堅持研究和逐漸升溫的一個重要研究方向。
中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）磁學(xué)國家重點實驗室M05研究組致力于磁-結(jié)構(gòu)相變及新材料的研究，先后獲得了多種磁驅(qū)動相變體系，并在國際上提出了“鐵磁激活”鄰近原子模型用于解釋磁結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)機制，為Heusler合金的磁場驅(qū)動相變提供了重要物理基礎(chǔ)。在新型六角結(jié)構(gòu)MM'X合金探索中，基于磁性-共價競爭機制，提出了以其“居里溫度窗口效應(yīng)”為途徑獲得強磁轉(zhuǎn)變，從而實現(xiàn)磁場驅(qū)動相變的新思路，并采用“等結(jié)構(gòu)合金化”原則對體系進行原子種類和占位選擇和控制，完成了多個影響相變因素的同步調(diào)控，獲得了新型磁-結(jié)構(gòu)相變材料及物性等多方面的研究成果（Mn1-yFeyNiGe、MnNi1-yFeyGe、Mn1-yCoyNiGe）【Nature Communications 3, 873 (2012)】、【Applied Physical Letters 102, 122405 (2013)】、【Applied Physical Letters 105, 062401 (2014)】。
最近，該研究組的博士生魏志陽、助理研究員劉恩克和副研究員王文洪在已有工作的基礎(chǔ)上，進一步提出了將材料保持強鐵磁特性，把磁-結(jié)構(gòu)相變向高溫擴展，在跨室溫的寬溫域中獲得連續(xù)可調(diào)的磁-結(jié)構(gòu)相變的目標(biāo)。該研究的主要難點是，如何同時提高結(jié)構(gòu)相變的轉(zhuǎn)變溫度（促進母相失穩(wěn)）和馬氏體相本身的居里溫度（增強磁交換作用），將二者的交點推移至高溫，并能始終保持馬氏體相中已建立的鐵磁耦合。在該研究中，他們繼續(xù)運用“等結(jié)構(gòu)合金化”原則和“居里溫度窗口”方法，選擇了滿足相變調(diào)控條件的MnNiSi（高相變溫度，高居里溫度）作為合適的等結(jié)構(gòu)體，進而確立了在Mn1-yFeyNiGe中以Si替代Ge的具體實驗方案，確定了該材料設(shè)計中的最佳合金化元素，對影響結(jié)構(gòu)成相、相轉(zhuǎn)變和磁交換作用的因素進行調(diào)節(jié)。實驗采用雙變量方式，結(jié)合第一性原理計算，進行了一系列成分設(shè)計，最終在Mn1-yFeyNiGe1-xSix體系中獲得了跨越40 K至450 K的超寬居里溫度窗口。
該結(jié)果不僅將居里溫度窗口由原來的280 K拓展至400 K，覆蓋了已知一級磁-結(jié)構(gòu)馬氏體相變的溫度極限，同時將相變溫度抬升至450 K（170 ℃）高溫。在整個居里溫度窗口內(nèi)，體系的一級磁-結(jié)構(gòu)相變表現(xiàn)出強耦合、窄熱滯、低飽和場、大磁性差、巨體積膨脹、巨磁熱效應(yīng)、高的功能穩(wěn)定性。所獲得的體系為寬溫域內(nèi)磁熱、壓熱、應(yīng)變應(yīng)用，以及高溫區(qū)的熱磁發(fā)電、磁熱泵等提供了潛在的候選。
該研究從原子有序占位和電子結(jié)構(gòu)層面進行材料設(shè)計，是對已有研究的深入和拓展，對相變材料探索具有重要啟示意義。相關(guān)工作作為內(nèi)封面故事（Inside Front Cover）于近期發(fā)表在Advanced Electronic Materials上【Advanced Electronic Materials 1, 1500076 (2015)】。
該研究工作得到了國家基金委、科技部“973”計劃和中科院“青促會”的支持。
中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）磁學(xué)國家重點實驗室M05研究組致力于磁-結(jié)構(gòu)相變及新材料的研究，先后獲得了多種磁驅(qū)動相變體系，并在國際上提出了“鐵磁激活”鄰近原子模型用于解釋磁結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)機制，為Heusler合金的磁場驅(qū)動相變提供了重要物理基礎(chǔ)。在新型六角結(jié)構(gòu)MM'X合金探索中，基于磁性-共價競爭機制，提出了以其“居里溫度窗口效應(yīng)”為途徑獲得強磁轉(zhuǎn)變，從而實現(xiàn)磁場驅(qū)動相變的新思路，并采用“等結(jié)構(gòu)合金化”原則對體系進行原子種類和占位選擇和控制，完成了多個影響相變因素的同步調(diào)控，獲得了新型磁-結(jié)構(gòu)相變材料及物性等多方面的研究成果（Mn1-yFeyNiGe、MnNi1-yFeyGe、Mn1-yCoyNiGe）【Nature Communications 3, 873 (2012)】、【Applied Physical Letters 102, 122405 (2013)】、【Applied Physical Letters 105, 062401 (2014)】。
最近，該研究組的博士生魏志陽、助理研究員劉恩克和副研究員王文洪在已有工作的基礎(chǔ)上，進一步提出了將材料保持強鐵磁特性，把磁-結(jié)構(gòu)相變向高溫擴展，在跨室溫的寬溫域中獲得連續(xù)可調(diào)的磁-結(jié)構(gòu)相變的目標(biāo)。該研究的主要難點是，如何同時提高結(jié)構(gòu)相變的轉(zhuǎn)變溫度（促進母相失穩(wěn)）和馬氏體相本身的居里溫度（增強磁交換作用），將二者的交點推移至高溫，并能始終保持馬氏體相中已建立的鐵磁耦合。在該研究中，他們繼續(xù)運用“等結(jié)構(gòu)合金化”原則和“居里溫度窗口”方法，選擇了滿足相變調(diào)控條件的MnNiSi（高相變溫度，高居里溫度）作為合適的等結(jié)構(gòu)體，進而確立了在Mn1-yFeyNiGe中以Si替代Ge的具體實驗方案，確定了該材料設(shè)計中的最佳合金化元素，對影響結(jié)構(gòu)成相、相轉(zhuǎn)變和磁交換作用的因素進行調(diào)節(jié)。實驗采用雙變量方式，結(jié)合第一性原理計算，進行了一系列成分設(shè)計，最終在Mn1-yFeyNiGe1-xSix體系中獲得了跨越40 K至450 K的超寬居里溫度窗口。
該結(jié)果不僅將居里溫度窗口由原來的280 K拓展至400 K，覆蓋了已知一級磁-結(jié)構(gòu)馬氏體相變的溫度極限，同時將相變溫度抬升至450 K（170 ℃）高溫。在整個居里溫度窗口內(nèi)，體系的一級磁-結(jié)構(gòu)相變表現(xiàn)出強耦合、窄熱滯、低飽和場、大磁性差、巨體積膨脹、巨磁熱效應(yīng)、高的功能穩(wěn)定性。所獲得的體系為寬溫域內(nèi)磁熱、壓熱、應(yīng)變應(yīng)用，以及高溫區(qū)的熱磁發(fā)電、磁熱泵等提供了潛在的候選。
該研究從原子有序占位和電子結(jié)構(gòu)層面進行材料設(shè)計，是對已有研究的深入和拓展，對相變材料探索具有重要啟示意義。相關(guān)工作作為內(nèi)封面故事（Inside Front Cover）于近期發(fā)表在Advanced Electronic Materials上【Advanced Electronic Materials 1, 1500076 (2015)】。
該研究工作得到了國家基金委、科技部“973”計劃和中科院“青促會”的支持。
