北航集成电路科学与工程学院在《Journal of Materiomics》期刊发表研究成果

2023年8月，材料领域我国优秀外文期刊《Journal of Materiomics》（JMAT）在线发表了北航集成电路科学与工程学院王聪教授课题组的最新科研进展《Manipulating non-collinear antiferromagnetic order and thermal expansion behaviors in triangular lattice Mn3Ag1-xSn(Ge)xN》。该工作通过在反钙钛矿化合物Mn3AgN的Ag位进行Sn或Ge元素的掺杂有效提高了反钙钛矿化合物的反铁磁相变点TN，获得了室温以上具有非共线Γ5g反铁磁相的反钙钛矿化合物Mn3Ag1-xSn(Ge)xN。同时，研究发现当Ge含量达到0.5时，在Γ5g 反铁磁有序的Mn3Ag0.5Ge0.5N中实现了室温附近的近零热膨胀行为。论文提供了一种有效的方法来调控非共线反铁磁的磁相变点和相关的热膨胀行为，为新兴的无热应力磁芯片材料研究提供了新的设计思路。

近年来，反铁磁材料由于其杂散场为零，对外部磁场的扰动不敏感，表现出超快的动力学特性，并且能够产生特殊的磁输运行为，为自旋电子学研究提供了良好的平台。反钙钛矿化合物作为典型的反铁磁材料，具有复杂的磁结构和丰富的物性，如：反常霍尔效应、自旋霍尔效应以及反常热膨胀行为等特殊物性，是自旋电子学领域研究的热门材料之一。然而，该类材料的反铁磁相变点TN大多都处于室温以下，限制了实际应用的可能性。研究团队通过元素掺杂的方法改变反钙钛矿化合物费米能级上自由电子态密度，引起磁相互作用的变化，从而达到提升TN的目的。

论文结合物理性质测量系统(PPMS)和中子粉末衍射(NPD)等测试分析手段，验证了Sn和Ge元素可以有效提高此类反钙钛矿化合物的反铁磁相变点TN。研究发现，反钙钛矿化合物Mn3Ag1-xSn(Ge)xN中反铁磁相变点TN并不依赖于原子间距离的变化，Sn和Ge掺杂后TN都会升高，这表明Mn-Mn距离的变化并不是TN变化的主要因素。Sn (Ge) p电子掺杂改变了费米能级上自由电子态密度，进而引起磁相互作用的变化，最终引起了Néel点的变化，NPD结果显示，随着Sn和Ge的掺杂，Mn磁矩总是呈现增加的趋势，这更加印证了上述观点。

另外，通过控制Ge元素的掺杂含量可以有效调控化合物的近零热膨胀行为，进而获得了室温附近具有近零热膨胀行为的非共线反铁磁材料。最后，论文构建了非共线Γ5g反铁磁相变点高达498 K的磁相图，为调控理想的室温以上的非共线反铁磁芯片材料提供了重要参考。

北航物理学院和集成电路科学与工程学院联合培养2020级博士生胡冬梅为本论文的第一作者，北航集成电路科学与工程学院王聪教授、散裂中子源科学中心邓司浩副研究员为论文共同通讯作者。其他合作者还包括北航物理学院孙莹教授、北航集成电路科学与工程学院史可文副教授，散裂中子源科学中心何伦华研究员、陈洁研究员，中国工程物理研究院核物理与化学研究所夏元华副研究员等。该工作的中子衍射分析基于中国散裂中子源(CSNS)与中国绵阳研究堆(CMRR)中子科学平台开展，工作也获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、中德合作交流项目、广东省基础与应用基础研究基金等的支持。