SHMFF用户在反铁磁CrAs基化合物中发现巨负热膨胀效应

内容来源：中国科学院重大科技基础设施共享服务平台

南京大学物理学院的胡永博士和王敦辉教授借助稳态强磁场实验装置（SHMFF）变温X射线衍射仪设备研究了反铁磁CrAs基化合物的巨负热膨胀效应。该研究成果以“Giant Negative Thermal Expansion in Antiferromagnetic CrAs-Based Compounds”为题，发表在美国物理学会期刊《物理评论应用》上 【Physical Review Applied 12, 034027 (2019)】。 

普通材料一般都具有热胀冷缩的性质，这是指材料受热时发生膨胀，遇冷时发生收缩。而负热膨胀是一种特殊的热力学现象，是指材料受热时发生收缩。负热膨胀材料可以和正热膨胀材料进行复合，从而达到零膨胀的效果。由于在电路板、精密机械部件和光学器件等方面的重要应用价值，负热膨胀材料受到越来越广泛的重视和研究。一般来说，如果一种负热膨胀材料能够被应用，其应该具有以下优异的特性：首先，材料要具有较大的线性负热膨胀系数；其次，为避免热应力，可应用的负热膨胀材料要具有较大的热导，这样能够更快速的导热并保持热均匀性；再次，由于需要应用于磁、电、光等环境，要求材料对这些外部环境不敏感。 

最近，因在CrAs化合物中发现了压力诱导的超导电性，使其成为凝聚态物理领域的研究热点。这一材料是反铁磁，其奈尔温度TN~260 K。当相变发生时，其体积发生显著的收缩（ΔV/V~ -2.4%），使得它成为一种潜在的负热膨胀材料。但因其相变温度窗口较窄且不在室温区域，阻碍了这类材料的实际应用。 

在本工作中，南京大学的研究人员通过Ni和S的掺杂对CrAs基化合物进行了成分调控，他们发现化学掺杂能够有效的改变相变温度和拓宽相变温度窗口。借助SHMFF变温X射线衍射仪设备，他们对经过化学调控的CrAs基化合物的晶格参数等性质随温度的变化进行了详细的研究。研究结果表明，Cr0.98Ni0.02As、CrAs0.91S0.09和CrAs在从122 K到340 K，宽达218 K且覆盖室温的温度窗口内都能表现出巨负热膨胀效应。此外，经过化学调控的CrAs基化合物也具有很大的热导和电导系数。由于这些材料都是反铁磁，对外磁场不敏感，其磁致伸缩系数非常小。这些优异的性能表明，经过成分调控的CrAs基化合物可以作为一种潜在应用的负热膨胀材料，尤其是可以应在有磁场的特殊环境中。 
文章链接：https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.12.034027。

 
CrAs0.91S0.09化合物的X射线衍射谱以及晶格参数随温度变化的关系图