Heusler型半金屬和磁相變材料新發(fā)現(xiàn)與物性研究

Heusler型半金屬和磁相變材料新發(fā)現(xiàn)與物性研究摘要：

Heusler型半金屬和磁相變材料因其優(yōu)良的物理性質(zhì)而備受研究所關(guān)注，近年來，對這類材料進(jìn)行的新發(fā)現(xiàn)和物性研究已經(jīng)不斷涌現(xiàn)。本文主要從材料結(jié)構(gòu)設(shè)計、理論計算和實驗研究三方面綜述了該領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展：(1)各種材料設(shè)計方法和算法，將不同元素之間的組合形式和材料的晶格結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，制備了具有新的晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和磁性質(zhì)的Heusler型半金屬和磁相變材料。(2)采用第一性原理計算和透射電子顯微鏡等實驗手段，對新材料中的復(fù)雜交叉磁結(jié)構(gòu)、磁相變等重要物理現(xiàn)象進(jìn)行理論和實驗研究。(3)系統(tǒng)探究了Heusler型半金屬和磁相變材料的光、磁、電等多種物理性質(zhì)的耦合機(jī)制，并為探索這些材料的應(yīng)用前景提供有力的理論和實驗基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：Heusler型半金屬，磁相變，材料設(shè)計，第一性原理計算，多物理性質(zhì)

正文：

一、概述

Heusler型半金屬和磁相變材料是一類具有優(yōu)良物理性質(zhì)的材料，近年來備受研究所關(guān)注。它們具有很高的磁熵變效應(yīng)、磁致伸縮效應(yīng)和磁熱效應(yīng)等，在磁存儲、磁致冷等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。其中，Heusler合金(Mn2ZnSn)由三個部分組成，即：Mn-X-Zn，其中X為基底金屬，如Cr、Fe、Ni等。Mn2XZn的晶體結(jié)構(gòu)屬于立方反射性的L21結(jié)構(gòu)，是一種典型的Heusler型金屬材料。在這種晶體結(jié)構(gòu)中，Mn和Zn都位于立方晶格的體心位置，而X原子則位于頂點位置，從化學(xué)上分析，其中Mn具有自旋極化電子態(tài)，X具有d電子態(tài)，而Zn則是由s電子組成的官能化金屬。

在過去的數(shù)十年中，人們一直在探索如何通過Heusler型材料的設(shè)計和制備，獲得更好的物理性質(zhì)。其中，材料結(jié)構(gòu)設(shè)計和理論計算是實現(xiàn)材料研究和開發(fā)的重要手段之一。同時，實驗研究也是對理論模擬的重要補(bǔ)充。最近幾年，研究人員們利用這些手段，取得了很多有意義的研究成果，這為進(jìn)一步實現(xiàn)Heusler型材料的理性設(shè)計和制備提供了重要的基礎(chǔ)。

二、材料結(jié)構(gòu)設(shè)計和制備

Heusler型半金屬和磁相變材料的研究從材料結(jié)構(gòu)設(shè)計開始。材料結(jié)構(gòu)設(shè)計包括制備過程中的元素選擇、晶格結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)等，利用材料結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，可以制備出具有新的晶格結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和磁性質(zhì)的Heusler型半金屬和磁相變材料。例如，可以通過在Mn2ZnX上替代部分X元素，或者替代Mn在格點上的位置等方式，實現(xiàn)Heusler型材料晶體結(jié)構(gòu)的改變。

為了實現(xiàn)理性設(shè)計和制備，研究人員們還開發(fā)了一系列材料結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和算法，包括高通量計算、機(jī)器學(xué)習(xí)、基于晶體軸的構(gòu)造和演化、基于能量泛函理論的計算等。其中，基于含梯度的第一性原理計算的Densityfunctionaltheory(DFT)是實現(xiàn)材料結(jié)構(gòu)設(shè)計和理論預(yù)測的重要方法之一。利用DFT計算方法，可以計算Heusler型半金屬和磁相變材料的電子結(jié)構(gòu)、磁性質(zhì)、形變耦合等多種物理性質(zhì)。

實驗制備是人工設(shè)計得到的材料結(jié)構(gòu)在實際制備中的實現(xiàn)。目前主要的實驗制備方法包括快速凝固方法、射頻等離子體反應(yīng)磁控濺射法等。獲得的Heusler型半金屬和磁相變材料公示符元較復(fù)雜，具有很高的穩(wěn)定性和抗腐蝕性。

三、理論計算和實驗研究

Heusler型半金屬和磁相變材料在物理學(xué)和材料學(xué)領(lǐng)域內(nèi)具有很高的研究價值。近年來，研究人員們針對這些材料進(jìn)行了深入的理論計算和實驗研究。以反鐵磁Mn3GaC為例，采用第一性原理計算預(yù)測反鐵磁序、磁疇結(jié)構(gòu)、自旋波激發(fā)、慢動力學(xué)行為等多種物理現(xiàn)象；運用透射電子顯微鏡等實驗手段，對該材料的磁疇結(jié)構(gòu)和自旋波激發(fā)進(jìn)行了證實。該研究揭示了反鐵磁材料可能存在的各種物理現(xiàn)象及其機(jī)制，為進(jìn)一步理解其他Heusler型半金屬和磁相變材料的動力學(xué)行為和磁性質(zhì)提供了重要的理論和實驗支持。

四、多物理性質(zhì)的耦合機(jī)制

Heusler型半金屬和磁相變材料具有磁、電、熱等多種物理性質(zhì)。研究人員們通過理論計算和實驗研究，系統(tǒng)探究了這些物理性質(zhì)之間的內(nèi)在耦合機(jī)制。例如，研究人員們對Mn3GaC的磁、熱、電性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)它具有良好的自旋-豐度耦合，同時還具有較高的磁熵變和熱力學(xué)調(diào)制率等性質(zhì)。這些發(fā)現(xiàn)和研究結(jié)果為進(jìn)一步探索這些材料的磁致冷、磁存儲、熱電及等重要應(yīng)用提供了重要的理論和實驗基礎(chǔ)。

結(jié)論：

本文綜述了Heusler型半金屬和磁相變材料領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展，重點介紹了該領(lǐng)域的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計、理論計算和實驗研究及多物理性質(zhì)的耦合機(jī)制等方面的進(jìn)展。研究表明，材料結(jié)構(gòu)設(shè)計和理論計算是實現(xiàn)Heusler型半金屬和磁相變材料研究和應(yīng)用的重要手段之一，同時，實驗研究也是對理論模擬的重要補(bǔ)充。該領(lǐng)域的研究成果為實現(xiàn)Heusler型材料的理性設(shè)計和制備提供了重要的基礎(chǔ)，也為進(jìn)一步探索這些材料的應(yīng)用前景提供了重要的理論和實驗基礎(chǔ)除了以上討論的方面，Heusler型半金屬和磁相變材料還涉及到其他研究領(lǐng)域和應(yīng)用。例如，在光電子學(xué)領(lǐng)域，人們利用Heusler材料的磁電性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)研究磁光效應(yīng)和自旋光電轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象，探索其在信息存儲、通信和能源轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域的應(yīng)用。在納米材料領(lǐng)域，人們研究Heusler型納米材料的制備和性質(zhì)，包括晶粒尺寸和形貌對材料磁性、電性和力學(xué)性質(zhì)的影響，以及納米材料的磁性、電性和光學(xué)性質(zhì)的相互作用等等。在材料表面和界面物理領(lǐng)域，Heusler型半金屬和磁相變材料的表面和界面性質(zhì)也備受關(guān)注，這涉及到材料表面化學(xué)反應(yīng)、表面和界面能級結(jié)構(gòu)、電荷轉(zhuǎn)移和分布等方面的研究。

此外，Heusler型半金屬和磁相變材料還涉及到其他領(lǐng)域的應(yīng)用，例如儲能材料、催化劑、先進(jìn)傳感器等。隨著對這些材料的深入研究和應(yīng)用探索，我們可以期待更多有意義的發(fā)現(xiàn)和實際應(yīng)用Heusler型半金屬和磁相變材料的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，下面將介紹其中的幾個。

儲能材料是Heusler型半金屬和磁相變材料的一大應(yīng)用領(lǐng)域。由于其獨特的磁性和相變性質(zhì)，這些材料被廣泛研究用于制備用于儲能的磁性材料。舉個例子，Ni-Mn-In合金在室溫下的相變可被用于制備磁性制冷劑或低溫?zé)犭姴牧?。Fridericia回旋的橄欖石Heusler合金Co2TiSi也表現(xiàn)出良好的磁制冷性能。

催化劑是另一個重要的應(yīng)用領(lǐng)域。Heusler型半金屬和磁相變材料的催化性能較好，與其陰離子和金屬離子的組成和相互作用有關(guān)。Co2MnGe和Co2CrGa等Heusler材料已被證明具有高效的催化性能，如Co2MnGe在氧氣氣氛下表現(xiàn)出優(yōu)異的鄰位定向氧化反應(yīng)活性。

先進(jìn)傳感器領(lǐng)域是另一個應(yīng)用領(lǐng)域。Heusler型半金屬和磁相變材料的磁性和相變性質(zhì)使其在傳感器中有廣泛應(yīng)用。這些材料的電阻率、熱容量、磁矩和相變溫度等參數(shù)可以用來制備磁敏傳感器、熱敏傳感器和相變傳感器等。例如，Mn-Co-Ge合金可以用于制備多功能傳感器，在外加磁場下，其電阻值會發(fā)生變化，可以用來檢測磁場變化。

總之，Heusler型半金屬和磁相變材料在電子、能量、環(huán)境和生命科學(xué)等諸多領(lǐng)域具有應(yīng)用前景，可以為各種先進(jìn)技術(shù)的實現(xiàn)和創(chuàng)新做出積極貢獻(xiàn)此外，Heusler型半金屬和磁相變材料還具有磁記憶效應(yīng)，即在外加磁場下，其磁性會發(fā)生變化，隨后當(dāng)去除磁場時，這些材料會保留這種磁性變化。這種磁記憶效應(yīng)使得這些材料在信息存儲領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。例如，在基于磁性隨機(jī)存取存儲器的研究中，一些Heusler材料被作為磁傳輸層使用，并展示了高速、低功耗的特性。

此外，由于Heusler型半金屬材料具有明顯的磁性和熱電性質(zhì)，因此它們也被廣泛研究用于制備磁電轉(zhuǎn)換或磁熱轉(zhuǎn)換器件。這些器件可以將磁性能和熱電能夠轉(zhuǎn)化為電能，從而實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換和有效利用。這些應(yīng)用包括磁電發(fā)電，熱電制冷等領(lǐng)域，為實現(xiàn)高效能源的轉(zhuǎn)換和利用提供了新思路和解決方案。

總之，Heusler型半金屬和磁相變材料在眾多應(yīng)用領(lǐng)域都表現(xiàn)出了良好的性能和應(yīng)用前景，盡管目前這些材料的制備方法和性能調(diào)控還