磁製冷材料精細晶體結構與磁性質關聯機理研究獲進展

La（Fe，Si）13型化合物由中國科學院院士沈保根等人發現。近20年來，這種巨磁熱效應相變材料受到了相關領域廣泛關注，尤其是在其晶格中引入間隙氫原子，可使材料的居里溫度擴展到室溫以上，並維持材料本徵的巨磁熵變性能。這拓寬了材料的製冷溫區和應用範圍，使氫化物逐漸成為備受磁製冷樣機青睞的實用工質。但當前研究對氫原子佔位、氫原子容納量和居里溫度的影響因素等構性關係並沒有一致結論。

近日，中科院寧波材料技術與工程研究所稀土磁性功能材料實驗室博士研究生邵艷艷等人利用上海同步輻射光源硬 X 射線，研究了鑭系磁熱化合物及其氫化物的晶體結構，在磁體積相變材料中首次建立了局域精細結構與磁性質之間的內在關聯。

研究人員首先通過分析拓展邊 X 射線精細結構 EXAFS 譜，變換傅里葉和反傅里葉關係，並對振蕩函數進行擬合，從而精確優化晶格參數，構建了更加準確的晶格模型，證實了氫原子佔據2個 FeI 、4個 FeII/Si 中心的 24d 位置。晶胞中氫原子含量決定了磁體積相變的轉變溫度，即居里溫度，但晶胞最多能容納氫原子的飽和量並無定論。以往研究認為，飽和氫含量和晶格體積大小有關，也有學者發現充氫後居里溫度對壓力的依賴變小，即氫化物中氫原子和周圍化學環境存在價電子轉移現象。該研究通過觀察 La 的 X 射線吸收近邊結構 XANES 譜，觀察到白線峰在充氫後顯著降低，直接證明了 La 原子局域環境影響著 La 與氫原子之間的價電子轉移並決定容氫能力大小，晶格體積對氫容量的作用次之。關於La（Fe，Si）13居里溫度的決定因素，一般認為由晶格體積和 Fe 的 d 電子以及 Si 的 s 電子間的軌道雜化共同作用，有研究通過數據對比間接表明軌道雜化起主導作用。該研究利用 Fe 元素 K 邊 XANES 邊前峰來直接表徵雜化作用的強弱關係，在 Fe 含量高的化合物中，Fe 元素 K 邊前峰更強烈，表明 3d 軌道有更多的空帶，導致多數 3d 電子從局域態轉移到巡遊態，其局域電子降低使得 Fe-Si 雜化減弱，帶來居里溫度降低，因此揭示了 Fe 的 d 電子和 Si 的 s 電子雜化程度極大影響了居里溫度高低。對於氫化物而言，邊前峰基本重合表明 Fe 與 Si 的雜化程度相似，因而氫化物主要由晶格體積因素，而非軌道雜化決定居里溫度。

該基於電子層面的精細結構表徵技術首次應用於 LaFeSi 磁熱材料的研究，對理解巨磁熵機理有較強的啟發作用，可對原子摻雜或元素替代調控居里溫度起到工程上的指導作用，為研究和挖掘磁熱材料的新體系和新功能提供借鑒思路。

相關研究成果發表在Acta Materialia上。該研究得到了國家重點研發計劃的資助。

寧波材料所磁製冷材料精細晶體結構與磁性質關聯機理研究獲進展

來源：中國科學院寧波材料技術與工程研究所

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