NdBaMn?O?双锰矿的高压低温研究

《Journal of Alloys and Compounds》：High pressure - low temperature study on NdBaMn 2O 6 double manganites

金属氧化物NdBaMn2O6在高压下的相变及结构演变研究显示，其金属-绝缘体转变（TMI）和奈尔温度（TN）随压力变化呈现非线性特征，低压力下（<2 GPa）TMI降低斜率达-25 K/GPa，高压（>2 GPa）因晶格畸变增加导致磁性抑制。同步辐射X射线衍射结合eDMFT计算表明，晶格体积压缩抑制氧偏移和MnO6八面体畸变，而高压诱导的结构缺陷使铁磁有序减弱。材料同时表现出低热膨胀系数（~2.5×10^-5 K^-1）和压力依赖的电子结构特征，无Jahn-Teller效应参与MI相变。

　　NdBaMn?O?是一种具有磁性和电性相变特性的材料，其相变温度接近常温，因此在磁电阻材料和磁热效应材料领域展现出巨大的应用潜力。近年来，科学家们对这类材料在高压和低温条件下的结构与物理性质变化进行了深入研究。通过使用同步辐射X射线衍射技术，结合金刚石压砧和闭循环氦低温装置，以及一种新型的环形大体积压装置，研究人员对NdBaMn?O?的高压-低温响应进行了系统分析，揭示了其在不同压力和温度条件下的相变行为。

在低压条件下（<2 GPa），NdBaMn?O?的晶格体积和晶格畸变均呈现下降趋势，这种变化促使材料从金属态向绝缘态转变，同时伴随着磁性状态的变化。具体来说，低压下的结构变化导致了材料进入一种具有金属特性的铁磁状态。然而，随着压力的增加，特别是在高于2 GPa的情况下，材料的铁磁性开始减弱，这主要归因于晶格畸变的增加以及材料内部缺陷的累积。这种高压对磁性和电性的影响，为理解其相变机制提供了重要线索。

研究还发现，NdBaMn?O?的压缩性系数在导电相和绝缘相中分别为κ? = 4.1(2) × 10?3 GPa?1和κ_iso = 4.4(2) × 10?3 GPa?1，表明材料在不同相态下对压力的响应存在细微差异。此外，材料的体积热膨胀系数在导电相和绝缘相中均较低，约为2.5 × 10?? K?1，说明其在温度变化下的结构稳定性较高。这些数据不仅有助于理解NdBaMn?O?的物理特性，也为其他类似材料的研究提供了参考。

在相变过程中，材料的结构变化与电子结构密切相关。研究人员通过对不可约表示的分析，发现Jahn-Teller模式在金属-绝缘相变中并未参与其中。这一发现进一步表明，NdBaMn?O?的相变机制可能与传统的Jahn-Teller效应不同，而是由其他因素主导。此外，通过电子动力学平均场理论（eDMFT）对电子结构的分析确认了在金属-绝缘相变过程中，Mn轨道的分裂并未发生，这为理解其电子行为提供了新的视角。

NdBaMn?O?的金属-绝缘相变温度（T_MI）和奈尔温度（T_N）对压力的响应呈现出明显的差异。在低于2 GPa的压力下，T_MI随着压力的增加而下降，其变化率约为-25 K/GPa。而在高于2 GPa的压力下，T_MI的变化率显著减小，这可能意味着材料在高压下的相变行为趋于稳定。与此同时，T_N则表现出相反的趋势，随着压力的增加而上升，变化率约为+20 K/GPa。这种压力对磁性和电性温度的影响，揭示了NdBaMn?O?在高压条件下可能存在的复杂相变机制。

研究还指出，NdBaMn?O?的金属-绝缘相变与磁性秩序的转变密切相关。在相变温度附近，材料的抗磁性秩序会发生变化，这表明电子结构和磁性之间的相互作用在相变过程中起到了关键作用。此外，NdBaMn?O?的结构变化不仅影响其电导率，还对磁导率产生显著影响。通过同步辐射X射线衍射技术对不同压力下的晶体结构进行分析，研究人员发现，随着压力的增加，晶格参数的变化主要集中在c轴方向，而a-b平面的结构变化则相对较小。

在实验方法上，研究团队采用了一系列精密的合成和表征技术。首先，通过柠檬酸硝酸法合成高质量的NdBaMn?O?样品，确保其具有良好的晶体结构和均匀的化学组成。随后，通过X射线衍射（XRD）技术对样品的晶体结构进行分析，特别是在高压和低温条件下。这些实验条件的设置，使得研究人员能够在极端环境下观察材料的结构变化，从而揭示其在不同物理状态下的行为。

在高压条件下，NdBaMn?O?的结构变化不仅影响其电导率，还对磁导率产生重要影响。随着压力的增加，晶格的压缩效应导致材料的导电性发生变化，而这种变化又与磁性秩序的转变密切相关。因此，NdBaMn?O?的高压响应可以被视为一种复杂的物理过程，涉及结构、电子和磁性的多重相互作用。

进一步的研究表明，NdBaMn?O?的金属-绝缘相变可能与Mn轨道的选择性有关。在相变过程中，e_g轨道的状态发生变化，而t2g轨道则形成一个能隙，这种变化直接影响了材料的电导率和磁性行为。因此，理解这些轨道状态的变化，对于揭示NdBaMn?O?的相变机制至关重要。

此外，NdBaMn?O?的高压响应还可能受到其他因素的影响，例如离子半径、化学组成和晶体结构的对称性。在不同的Ln离子半径下，NdBaMn?O?的相变行为可能有所不同，这为材料设计和优化提供了新的思路。例如，在较小的Ln离子半径下，T_MI可能更高，而在较大的Ln离子半径下，T_MI可能更低。这种离子半径对相变温度的影响，进一步说明了NdBaMn?O?的物理特性与其化学组成之间存在紧密的联系。

综上所述，NdBaMn?O?在高压和低温条件下的结构与物理性质变化，揭示了其在不同环境下的相变行为。这些研究不仅有助于理解其磁性和电性相变的机制，也为开发新型磁电阻和磁热效应材料提供了理论依据。通过进一步的实验和理论分析，可以更深入地探索NdBaMn?O?的物理特性，为其实用化和工程应用奠定基础。