锰掺杂对FeRh合金一级反铁磁-铁磁相变及磁热效应的调控机制研究

本研究针对FeRh合金在磁制冷应用中存在的热滞后问题，通过Mn掺杂调控其一级反铁磁(AF)-铁磁(FM)相变行为。发现1.2% Mn替代Fe可使相变温度降至285 K，在50 kOe磁场下获得ΔSth=14 J/kg-K和ΔTad=-7 K的优异磁热效应(MCE)，同时揭示了宽温区(>150 K)磁滞现象，为开发低滞后巨磁热材料提供了新思路。

　　

在固态制冷技术领域，磁热效应(Magnetocaloric Effect, MCE)材料因其零温室气体排放的环保特性备受关注。其中FeRh合金作为典型的巨磁热材料，能在近室温发生一级反铁磁(Antiferromagnetic, AF)-铁磁(Ferromagnetic, FM)相变，产生高达12 J/kg-K的等温熵变(ΔS_th)。然而该相变伴随约10 K的热滞后，严重制约实际应用。更棘手的是，传统元素掺杂虽可调节相变温度(T_t)，但往往导致磁热性能劣化。如何通过精准掺杂在降低T_t的同时保持优异MCE，成为该领域的关键科学问题。

针对这一挑战，来自印度科学研究院的研究团队在《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》发表重要成果。他们选择具有尖锐相变特征的Fe₄₉Rh₅₁为基底，通过引入1.2% Mn替代Fe，系统研究了Mn掺杂对AF-FM相变和MCE的调控规律。研究发现Mn的引入不仅将T_t精准调控至285 K，更令人惊喜的是，在50 kOe磁场变化下仍保持ΔS_th=14 J/kg-K和ΔT_ad=-7 K的优异性能，与未掺杂FeRh的顶尖水平相当。

研究采用电弧熔炼法制备Fe_47.8Mn_1.2Rh₅₁合金，经1000℃真空退火30小时后淬火。通过X射线衍射(XRD)确认晶体结构，综合运用超导量子干涉仪(SQUID)和物性测量系统(PPMS)完成磁化强度和比热测试。采用Maxwell关系式计算ΔS_th，通过直接测量法获取ΔT_ad。

Experimental details
研究团队通过严格控制退火工艺获得CsCl型有序结构，XRD显示样品具有高结晶质量，为后续精确测量奠定基础。

Results and discussion
磁化曲线揭示Mn掺杂使T_t降至285 K，相变过程中约90%体积分数在10 K滞后范围内完成转变。值得注意的是，剩余10%体积在>150 K温区和>90 kOe磁场范围内仍表现出滞后，这种"双尺度滞后"现象为首次报道。比热测量显示相变潜热达6.5 J/g，证实其一级相变特征。

Conclusions
该工作突破性地证明微量Mn掺杂可在保持FeRh优异MCE的同时，实现相变温度的精准调控。发现的宽温区滞后行为为理解AF-FM相变动力学提供新视角。特别是ΔS_th和ΔT_ad分别达到14 J/kg-K和-7 K的性能指标，使该材料成为目前报道的最具应用潜力的近室温磁制冷材料之一。

CRediT authorship contribution statement
第一作者Rajeev Joshi完成从概念设计到论文撰写的全过程，R. Rawat作为通讯作者指导研究方向并获取经费支持。团队协作体现在Pramod R. Nadig的数据分析、Satish Yadav的实验协助以及Suman Karmakar的测试支持。

这项研究不仅为FeRh基磁制冷材料的性能优化提供新策略，其揭示的滞后行为调控机制对发展其他多铁性材料具有普适性指导意义。通过印度科学研究院的这项创新工作，我们看到了磁制冷技术迈向实际应用的曙光。