北航J. Am. Ceram. Soc.：反鈣鈦礦結構Mn3Ga1-xGexN的可調負熱膨脹性和結構演化

【引言】

負熱膨脹(NTE)材料在加熱條件下會發生收縮，通過元素取代或與正熱膨脹材料復合可以調節NTE材料的熱膨脹系數，制備得到零熱膨脹(ZTE)材料。需要指出的是：ZTE復合材料在溫度變化時會產生熱應變，而單相的ZTE材料則可以在經歷驟熱或驟冷時不產生熱沖擊，因而單相ZTE材料具備更大的潛在實用價值。反鈣鈦礦結構的Mn₃GaN雖然具備優異的NTE特性，但相對較窄的工作溫度區間很大程度上限制了其實際應用。研究發現：在Mn₃AN的A位點處進行部分摻雜可以調節其NTE性能，拓寬NTE材料的工作溫度區間。鍺(Ge)摻雜的NTE材料Mn₃Ga_1-xGe_xN是近年來的研究熱點，但其NTE工作溫度區間相對較窄且與NTE相關的結構細節還有待進一步研究。

【成果簡介】

近日，北京航空航天大學的王聰和孫瑩(共同通訊作者)等在J. Am. Ceram. Soc.上發表了題為“Tunable negative thermal expansion and structural evolution in anti-perovskite Mn₃Ga_1-xGe_xN (0≤x≤1.0)”的研究論文，報道了Ge摻雜反鈣鈦礦結構Mn₃Ga_1-xGe_xN的可調負熱膨脹特性及其結構演化的最新研究成果。研究團隊借助可變溫度XRD揭示了NTE特性的起源。實驗結果表明：Ge摻雜是引起Mn₃GaN晶體結構變化的主要原因；隨著Ge摻雜量的逐漸增大，產物的晶體結構由立方相轉變為四方相；在較寬的摻雜區間(x=0.2, 0.5, 0.6), Mn₃Ga_1-xGe_xN中存在四方相和立方相兩相共存的現象。在較低的工作溫區間，當x=0.2時結構中立方Ι相和立方Ⅱ相共存，當x=0.5, 0.6時結構中立方Ι相和四方相共存。可調的NTE特性在精密器件領域具備可觀的實際應用價值。

【圖文導讀】

圖1. Mn₃Ga_1-xGe_xN (0≤x≤1.0)的XRD表征和晶體結構示意圖

(A) 室溫下Mn₃Ga_1-xGe_xN (0≤x≤0)的XRD特征衍射圖譜；

(B) 立方晶體結構示意圖；

(C) 四方晶體結構示意圖。

圖2. Mn₃Ga_1-xGe_xN (0≤x≤1.0)的線性熱膨脹曲線

圖3. 在250-600 K溫度范圍內Mn₃Ga_1-xGe_xN (0≤x≤1.0)熱流-溫度曲線

圖4. 不同摻雜量Mn₃Ga_1-xGe_xN (0≤x≤1.0)晶格常數-溫度曲線

(A)-(E) 不同摻雜量Mn₃Ga_1-xGe_xN (0≤x≤1.0)晶格常數-溫度曲線;

(F) 不同摻雜量Mn₃Ga_1-xGe_xN(x = 0.2,0.5,0.6,0.8,1.0)體積-溫度曲線。

圖5. Mn₃Ga_0.4Ge_0.6N的磁性特性曲線

(A) 加場冷卻（H=500 Oe）下的磁化強度和溫度的關系曲線；(插圖為10 K和220 K溫度下樣品磁場和磁化強度的關系曲線)；

(B) 反向磁化、熱流曲線、線性熱膨脹與溫度的關系曲線。

【小結】

本文使用Ge作為Mn₃GaN的摻雜劑，制備得到了負熱膨脹性能可調的反鈣鈦礦結構的Mn₃Ga_1-xGe_xN，并借助溫度可變XRD研究了負熱膨脹性能的起源。研究發現： Ge摻雜是引起Mn₃GaN晶體結構變化的主要原因；隨著Ge摻雜量的逐漸增大，產物的晶體結構逐漸由立方相轉變為四方相；低溫條件下，在相對較寬的摻雜量區間Mn₃Ga_1-xGe_xN晶體中立方相和四方相兩相共存。可調的NTE特性在精密器件領域具備相當的實際應用價值。

文獻鏈接：Tunable negative thermal expansion and structural evolution in antiperovskite Mn3Ga1?xGexN (0 ≤ x ≤ 1.0) ?(J. Am. Ceram. Soc., 2017, DOI:?10.1111/jace.15099)

本文由材料人編輯部張杰編譯，丁菲菲審核，點我加入材料人編輯部。

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