Nb、Cr、Re掺杂锰氮化合物负热膨胀材料及低温物性研究
Nb, Cr and Re Doping Manganese Nitride Negative Thermal Expansion Materials and Their Physical Properties at Cryogenic Temperatures
采用元素掺杂合成了以锰氮化合物为基的低温下具有负热膨胀性能的材料，并对影响负热膨胀性能的因素进行了研究。通过对材料的磁相转变与负热膨胀转变关系的研究，讨论了此类材料的负热膨胀机理。
以Mn3(Cu0.6Ge0.4)N材料为基础，分别掺杂了Nb、Cr、Re元素，对样品的物相和负热膨胀性能进行测试，发现Nb元素的掺杂可以使此类材料的负热膨胀温区向低温区移动，并且使得材料的负热膨胀温区得到拓宽，样品Mn3(Cu0.6
Nb0.15Ge0.25)N和Mn3(Cu0.6Nb0.2Ge0.2)N的负热膨胀温区比未掺杂样品宽60％。样品Mn3(Cu0.6Nb0.15Ge0.25)N在165-210K温度范围内，其线膨胀系数达到-19.5×10-6K-1；掺杂Cr元素取代Mn元素材料，随Cr含量的增加，样品负热膨胀产生的温区向低温区移动，样品Mn2.55Cr0.45(Cu0.6Ge0.4)N在80-150K温度区间内，平均线膨胀系数为-19.14×10-6 K-1；用Re元素掺杂Mn3(Cu0.6Ge0.4)N材料，发现可以通过Re元素的掺杂调节此类材料的热膨胀系数，样品Mn3(Cu0.4Re0.2Ge0.4)N在220K到315K的温区内都具有接近于零的热膨胀系数；对于“零膨胀”材料的研究表明，很多此类掺杂锰氮化合物材料在不同温区具有低膨胀或接近“零膨胀”的性质。
对材料的磁性能研究发现：Mn3(Cu0.6 NbxGe0.4-x)N的负热膨胀转变与两类磁相变相关：一是在较高温度、较低掺杂浓度时，材料的负热膨胀转变温度与材料顺磁相和反铁磁相转变相关；二是在低温区、高掺杂浓度时，材料的负热膨胀转变与顺磁相和铁磁相转变相关，进一步研究表明，此种磁相转变是顺磁相和磁自旋玻璃态的转变，而磁自旋玻璃有可能是产生材料宽负热膨胀温区的物理本质；对材料Mn3(Cu0.6.xRexGe0.4)N的磁化率研究进一步证实了此类负热膨胀材料的负热转变与磁相转变的相关性。Mn3(Cu10.35 Re0.25Ge0.4)N材料的“零膨胀”现象可能是材料多元相热膨胀相互抵消的结果。
- 作者：
- 蔡方硕
- 学位授予单位：
- 中国科学院研究生院(理化技术研究所)
- 专业名称：
- 凝聚态物理
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2009年
- 导师姓名：
- 李来风
- 中图分类号：
- TB34
- 关键词：
- 负热膨胀材料；低温物性；元素掺杂；锰氮化合物；磁相转变
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