Zn2?xMnxGeO4中低频声子驱动的负热膨胀增强效应

《Tungsten》：Low-frequency phonon driven enhancement of negative thermal expansion in Zn2?xMnxGeO4

负热膨胀机理与结构柔性关系研究揭示Mn掺杂Zn2?xMn xGeO4系统通过增大晶格参数、增强氧原子不对称性提升结构柔性，进而使低频声子格鲁内森参数显著更负，从而提高负热膨胀系数，为开放框架材料热膨胀调控提供新思路。

　　

摘要

阐明负热膨胀（NTE）和结构柔性的内在机制对基础研究和工业技术至关重要。虽然化学改性可以提高NTE材料的多样性，但通常也会导致其热膨胀系数显著降低，这使得理解这些内在机制变得既重要又充满挑战。在本研究中，观察到一种显著现象：部分锰（Mn）替代能够增强Zn₂GeO₄体系的热膨胀系数。通过高分辨率同步辐射X射线衍射、拉曼光谱和密度泛函理论计算的综合研究，阐明了其晶体结构与热膨胀之间的关联及其背后的机制。研究发现，锰掺杂会增大晶格参数并增加氧（O）原子的不对称性，从而提高Zn_{2?xMnxGeO4的结构柔性。这种柔性的提高促进了氧原子的横向热振动。值得注意的是，Zn2GeO4中低频声子的Grüneisen参数在锰掺杂后显著变为负值，从而增强了NTE特性。这项工作不仅揭示了Zn2?xMnxGeO4的结构柔性和NTE机制，还为其他开放框架结构材料的热膨胀系数调控提供了宝贵的参考。}

图形摘要