中國(guó)粉體網(wǎng)訊  兼有磁性和晶體結(jié)構(gòu)相變（熱彈性一級(jí)相變，即馬氏體相變）的磁性材料，稱(chēng)為磁相變材料，是目前磁性材料領(lǐng)域中僅次于永磁和軟磁材料的重要功能性材料。由于這類(lèi)材料中原子磁矩的鐵磁性和晶格的鐵彈性都非常突出且耦合緊密，因此它也是一種高效的多鐵性功能材料。在相變過(guò)程中，體系的晶體對(duì)稱(chēng)性、軌道分布、電子結(jié)構(gòu)和磁有序結(jié)構(gòu)等物理狀態(tài)都發(fā)生顯著的變化和重構(gòu)，表現(xiàn)出磁驅(qū)形狀記憶、磁驅(qū)大應(yīng)變、大磁熱效應(yīng)、大磁電阻、磁交換偏置、相變相關(guān)的霍爾效應(yīng)等許多豐富的、明顯的和可資應(yīng)用的物理效能。由于磁格和晶格的緊密耦合，凡是可對(duì)晶格和磁性任一方施加影響的物理作用（如，溫度、應(yīng)力和磁場(chǎng)等）都會(huì)通過(guò)磁-結(jié)構(gòu)耦合影響到另外一方；而兩種以上的物理作用同時(shí)作用在材料上，將在一個(gè)多維的作用空間中，實(shí)現(xiàn)各種不同途徑的狀態(tài)轉(zhuǎn)變。這就是大家常說(shuō)的“多場(chǎng)調(diào)控”。采用材料物理的手段，通過(guò)調(diào)節(jié)相變相關(guān)的物理參量，改變兩相平衡的臨界條件，可以將材料的有關(guān)特性針對(duì)其應(yīng)用要求進(jìn)行優(yōu)化。由于在相變物理的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域以及智能材料、傳感器、驅(qū)動(dòng)器、信息存儲(chǔ)、磁制冷/熱、熱電轉(zhuǎn)換等潛在應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義，磁-結(jié)構(gòu)相變成為各國(guó)長(zhǎng)期堅(jiān)持研究和逐漸升溫的一個(gè)重要研究方向。

　　中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）磁學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室M05研究組致力于磁-結(jié)構(gòu)相變及新材料的研究，先后獲得了多種磁驅(qū)動(dòng)相變體系，并在國(guó)際上提出了“鐵磁激活”鄰近原子模型用于解釋磁結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)機(jī)制，為Heusler合金的磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)相變提供了重要物理基礎(chǔ)。在新型六角結(jié)構(gòu)MM'X合金探索中，基于磁性-共價(jià)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，提出了以其“居里溫度窗口效應(yīng)”為途徑獲得強(qiáng)磁轉(zhuǎn)變，從而實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)相變的新思路，并采用“等結(jié)構(gòu)合金化”原則對(duì)體系進(jìn)行原子種類(lèi)和占位選擇和控制，完成了多個(gè)影響相變因素的同步調(diào)控，獲得了新型磁-結(jié)構(gòu)相變材料及物性等多方面的研究成果（Mn1-yFeyNiGe、MnNi1-yFeyGe、Mn1-yCoyNiGe）【Nature Communications 3, 873 (2012)】、【Applied Physical Letters 102, 122405 (2013)】、【Applied Physical Letters 105, 062401 (2014)】。

　　最近，該研究組的博士生魏志陽(yáng)、助理研究員劉恩克和副研究員王文洪在已有工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了將材料保持強(qiáng)鐵磁特性，把磁-結(jié)構(gòu)相變向高溫?cái)U(kuò)展，在跨室溫的寬溫域中獲得連續(xù)可調(diào)的磁-結(jié)構(gòu)相變的目標(biāo)。該研究的主要難點(diǎn)是，如何同時(shí)提高結(jié)構(gòu)相變的轉(zhuǎn)變溫度（促進(jìn)母相失穩(wěn)）和馬氏體相本身的居里溫度（增強(qiáng)磁交換作用），將二者的交點(diǎn)推移至高溫，并能始終保持馬氏體相中已建立的鐵磁耦合。在該研究中，他們繼續(xù)運(yùn)用“等結(jié)構(gòu)合金化”原則和“居里溫度窗口”方法，選擇了滿(mǎn)足相變調(diào)控條件的MnNiSi（高相變溫度，高居里溫度）作為合適的等結(jié)構(gòu)體，進(jìn)而確立了在Mn1-yFeyNiGe中以Si替代Ge的具體實(shí)驗(yàn)方案，確定了該材料設(shè)計(jì)中的最佳合金化元素，對(duì)影響結(jié)構(gòu)成相、相轉(zhuǎn)變和磁交換作用的因素進(jìn)行調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)采用雙變量方式，結(jié)合第一性原理計(jì)算，進(jìn)行了一系列成分設(shè)計(jì)，最終在Mn1-yFeyNiGe1-xSix體系中獲得了跨越40 K至450 K的超寬居里溫度窗口。

　　該結(jié)果不僅將居里溫度窗口由原來(lái)的280 K拓展至400 K，覆蓋了已知一級(jí)磁-結(jié)構(gòu)馬氏體相變的溫度極限，同時(shí)將相變溫度抬升至450 K（170 ℃）高溫。在整個(gè)居里溫度窗口內(nèi)，體系的一級(jí)磁-結(jié)構(gòu)相變表現(xiàn)出強(qiáng)耦合、窄熱滯、低飽和場(chǎng)、大磁性差、巨體積膨脹、巨磁熱效應(yīng)、高的功能穩(wěn)定性。所獲得的體系為寬溫域內(nèi)磁熱、壓熱、應(yīng)變應(yīng)用，以及高溫區(qū)的熱磁發(fā)電、磁熱泵等提供了潛在的候選。

　　該研究從原子有序占位和電子結(jié)構(gòu)層面進(jìn)行材料設(shè)計(jì)，是對(duì)已有研究的深入和拓展，對(duì)相變材料探索具有重要啟示意義。相關(guān)工作作為內(nèi)封面故事（Inside Front Cover）于近期發(fā)表在Advanced Electronic Materials上【Advanced Electronic Materials 1, 1500076 (2015)】。

　　該研究工作得到了國(guó)家基金委、科技部“973”計(jì)劃和中科院“青促會(huì)”的支持。