Mn基MM’X体系合金的晶体与磁结构性质及相关物性的中子衍射研究

【作者】 沈斐然； 何伦华； 胡凤霞； 黄清镇； 沈保根；

【机构】 散裂中子源科学中心； 中国科学院物理研究所磁学国家重点实验室； 中子科学研究中心美国国家标准局；

【摘要】 中子衍射技术与传统的X射线衍射技术相比,都是基于晶体物质中的衍射效应来探究材料的结构信息。然而,得益于中子具有本征磁矩、强穿透性、直接与原子核产生衍射行为等特点,中子衍射技术具有诸多X射线衍射技术所难以实现的功能,例如:探测材料磁结构、解析材料局域结构信息、对轻元素/近邻元素/同位素的分辨、探测材料内应变等。Mn基三元金属间化合物MnMX（M:过渡族元素,X:主族元素）具有丰富的磁性与晶体结构性质,并由此衍生出了磁热效应[1]、压热效应[2]、负热膨胀行为[3,4]等相关物性。利用中国散裂中子源（CSNS）的通用粉末衍射谱仪（GPPD）,并与美国国家标准局（NIST）中子科学中心的BT-1粉末衍射谱仪合作,我们针对此类合金,利用中子衍射手段对其晶体结构与磁结构性质进行更深入地系统性研究。此前研究表明,正分MnNiGe合金的马氏体呈现螺旋反铁磁基态,在MnNiGe中引入Fe会引入Mn-Fe铁磁耦合并瓦解本征的Mn-Mn反铁磁耦合[1]。我们利用中子衍射手段,在MnFeNiGe系列合金中首次成功解析出了其无公度圆锥螺旋磁结构（Fig.1a、b、c）。研究发现,具有无公度圆锥螺旋磁结构的Mn_0.87Fe_0.13NiGe与线性铁磁结构的MnCoGe_0.99In_0.01[3]相对比（Fig.1f）,由于磁交换作用的不同,二者Mn原子最近邻与次近邻间距都出现差异,分别达到3.61%与2.60%。这导致在马氏体相变过程中,Mn_0.87Fe_0.13NiGe合金的晶格畸变度达到8.68%,明显大于MnCoGe_0.99In_0.01合金的7.49%。利用这种无公度螺旋磁结构诱导的显著晶格畸变,在粘结MnFeNiGe系列合金中实现了巨大NTE行为（Fig.1f）[5]。其中,Mn_0.87Fe_0.13NiGe合金的最大线性负热膨胀幅度达到ΔL/L^～-23690×10^-6,超过其平均晶格贡献的限制(-7121×10^-6),其负膨胀温度达到了195K（80–275K）。在该工作基础上,我们利用变温中子衍射（Fig.2c）,在Mn_0.87Fe_0.13NiGe合金中,于150 K温度以下,发现了一种不同于正份MnNiGe螺旋反铁磁结构的新型摆线型反铁磁螺旋磁结构（CyS-AFMb）（Fig.2a）。原位磁场、压力下的中子衍射表明,5 K温度下Cy S-AFMb在0.6 T的低磁场转变为一种70°锥角的圆锥螺旋磁结构,其圆锥法线方向l仍然沿b轴,宏观表现为canted FM性;当磁场超过1 T,磁结构逐渐进一步转变为一种线性铁磁结构。更重要的是,当压力超过4 kbar时CyS-AFMb演变为一种锥角为45°易磁化的圆锥螺旋磁结构（45°-CoS-FMa）（Fig.3b）,过程中晶格仍保持TiNiSi型正交结构,但最近邻Mn-Mn（d1）和次近邻Mn-Mn（d2）键长发生了突变,使Mn/Fe位磁矩大幅下降22%,并产生巨大压磁效应[6]。0.35 T磁场下压磁系数达到5.34emu·g^-1·kbar^-1,工作温区为150 K （0-150 K）;2-5 T磁场下压磁系数达到9.03 emu·g^-1·kbar^-1,工作温区为250 K（0-250 K）,均超越之前报导的压磁材料[7]。这两项工作利用中子衍射技术手段,深入地研究了Mn基MM’X体系合金中晶体结构与磁结构基于磁交换作用的关联,以及MnFeNiGe体系中无公度自旋结构随原子局域环境敏感和外场的丰富演化规律。不仅获得了巨大的负热膨胀行为与压磁效应,也为探索其他新颖物理现象（如:拓扑磁性）提供了极佳平台。更多还原