南京大學(xué)物理學(xué)院的胡永博士和王敦輝教授借助穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置(SHMFF)變溫X射線衍射儀設(shè)備研究了反鐵磁CrAs基化合物的巨負(fù)熱膨脹效應(yīng)。該研究成果以“Giant?Negative?Thermal?Expansion?in?Antiferromagnetic?CrAs-Based?Compounds”為題,發(fā)表在美國(guó)物理學(xué)會(huì)期刊《物理評(píng)論應(yīng)用》上?【Physical?Review?Applied?12,?034027?(2019)】。?
普通材料一般都具有熱脹冷縮的性質(zhì),這是指材料受熱時(shí)發(fā)生膨脹,遇冷時(shí)發(fā)生收縮。而負(fù)熱膨脹是一種特殊的熱力學(xué)現(xiàn)象,是指材料受熱時(shí)發(fā)生收縮。負(fù)熱膨脹材料可以和正熱膨脹材料進(jìn)行復(fù)合,從而達(dá)到零膨脹的效果。由于在電路板、精密機(jī)械部件和光學(xué)器件等方面的重要應(yīng)用價(jià)值,負(fù)熱膨脹材料受到越來(lái)越廣泛的重視和研究。一般來(lái)說(shuō),如果一種負(fù)熱膨脹材料能夠被應(yīng)用,其應(yīng)該具有以下優(yōu)異的特性:首先,材料要具有較大的線性負(fù)熱膨脹系數(shù);其次,為避免熱應(yīng)力,可應(yīng)用的負(fù)熱膨脹材料要具有較大的熱導(dǎo),這樣能夠更快速的導(dǎo)熱并保持熱均勻性;再次,由于需要應(yīng)用于磁、電、光等環(huán)境,要求材料對(duì)這些外部環(huán)境不敏感。?
最近,因在CrAs化合物中發(fā)現(xiàn)了壓力誘導(dǎo)的超導(dǎo)電性,使其成為凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。這一材料是反鐵磁,其奈爾溫度TN~260?K。當(dāng)相變發(fā)生時(shí),其體積發(fā)生顯著的收縮(ΔV/V~?-2.4%),使得它成為一種潛在的負(fù)熱膨脹材料。但因其相變溫度窗口較窄且不在室溫區(qū)域,阻礙了這類材料的實(shí)際應(yīng)用。?
在本工作中,南京大學(xué)的研究人員通過(guò)Ni和S的摻雜對(duì)CrAs基化合物進(jìn)行了成分調(diào)控,他們發(fā)現(xiàn)化學(xué)摻雜能夠有效的改變相變溫度和拓寬相變溫度窗口。借助SHMFF變溫X射線衍射儀設(shè)備,他們對(duì)經(jīng)過(guò)化學(xué)調(diào)控的CrAs基化合物的晶格參數(shù)等性質(zhì)隨溫度的變化進(jìn)行了詳細(xì)的研究。研究結(jié)果表明,Cr0.98Ni0.02As、CrAs0.91S0.09和CrAs在從122?K到340?K,寬達(dá)218?K且覆蓋室溫的溫度窗口內(nèi)都能表現(xiàn)出巨負(fù)熱膨脹效應(yīng)。此外,經(jīng)過(guò)化學(xué)調(diào)控的CrAs基化合物也具有很大的熱導(dǎo)和電導(dǎo)系數(shù)。由于這些材料都是反鐵磁,對(duì)外磁場(chǎng)不敏感,其磁致伸縮系數(shù)非常小。這些優(yōu)異的性能表明,經(jīng)過(guò)成分調(diào)控的CrAs基化合物可以作為一種潛在應(yīng)用的負(fù)熱膨脹材料,尤其是可以應(yīng)在有磁場(chǎng)的特殊環(huán)境中。?
文章鏈接:https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.12.034027。
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CrAs0.91S0.09化合物的X射線衍射譜以及晶格參數(shù)隨溫度變化的關(guān)系圖