本發(fā)明涉及磁性功能單晶生長的，尤其涉及一種mn2sb基合金單晶及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、mn2sb基合金是一種晶胞參數(shù)為a＝4.1048埃，c＝6.4770埃，空間群為p4/nmm，且具有cu2sb型四方結(jié)構(gòu)的磁性功能晶體。純的mn2sb合金屬于亞鐵磁結(jié)構(gòu)，550k以下不等價的mn磁性次晶格mni和mnii沿著于c軸方向反平行排列，呈現(xiàn)出亞鐵磁性。隨著溫度降低，240k以下，mni和mnii轉(zhuǎn)向ab面，發(fā)生自旋重取向轉(zhuǎn)變。通過元素取代的辦法可以在mn2sb基合金中獲得由溫度或者磁場等條件誘導的亞鐵磁到反鐵磁態(tài)的相變。隨著mn位被過渡族元素取代呈現(xiàn)出豐富的磁相變，展現(xiàn)出拓撲霍爾效應(yīng)等新奇的輸運現(xiàn)象，可能與其可能的拓撲磁結(jié)構(gòu)有關(guān)。而目前報道的電弧熔煉法及布里奇曼法制備的mn2sb基合金多晶及單晶中都存在1：1六角結(jié)構(gòu)的mnsb雜相，無法滿足mn2sb基合金單晶在磁制冷、磁存儲、磁傳感等多個領(lǐng)域的科學研究及實際應(yīng)用。

2、因此，亟需開發(fā)一種mn2sb基合金單晶及其制備方法以獲取高質(zhì)量的單晶材料。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供一種mn2sb基合金單晶及其制備方法和應(yīng)用，以獲得無雜相、高質(zhì)量且能適用于更高要求的磁制冷、磁儲存、磁傳感等領(lǐng)域。

2、第一方面，本發(fā)明提供一種制備mn2sb基合金單晶的方法，所述方法，包括以下步驟：

3、s1、稱量

4、按化學計量比稱取金屬單質(zhì)，置于剛玉坩堝a中；

5、s2、封管

6、將步驟s1的剛玉坩堝a套置于石英管內(nèi)，用惰性氣體清洗所述石英管后，抽真空，密封；

7、s3、熔煉

8、將步驟s2密封的石英管豎直放置在剛玉坩堝b中，加熱，直至所述金屬單質(zhì)熔化，保溫；

9、s4、振蕩降溫

10、振蕩步驟s3保溫的剛玉坩堝b，以一定速率依次進行降溫-升溫-降溫的過程，直至熔液中析出晶核；

11、s5、冷卻

12、將步驟s4降溫后的剛玉坩堝b以一定速率冷卻至最終溫度；

13、s6、淬火

14、在步驟s5的最終溫度下，取出石英管，快速淬火，得到mn2sb基合金單晶。

15、基于上述基本步驟，發(fā)明人作出進一步優(yōu)化，包括：

16、在步驟s1中，發(fā)明人稱量金屬單質(zhì)時，考慮到高溫條件下金屬錳mn存在一定程度的揮發(fā)，因此設(shè)計mn可適度過量3％，有利于最終產(chǎn)品中錳含量仍能夠達到預期標準。

17、在步驟s2中，發(fā)明人采用惰性氣體，包括但不限于氬氣，清洗石英管中的空氣、水汽等，再經(jīng)多次抽真空后，還會依據(jù)實際情況考慮是否向石英管中充滿惰性氣體，以減少后期可能存在的原料氧化問題，進而避免雜相的生成。

18、在步驟s3中，選用井式爐或箱式爐作為加熱倉，其容量大且操作簡易、安全。

19、通過采用上述技術(shù)方案，可以成功制備出無雜相、質(zhì)量高、完整性好、尺寸大的mn2sb基合金單晶；且制備步驟簡單，操作安全，生長周期短，成功率高。

20、進一步的，步驟s1中，所述金屬單質(zhì)的純度不低于99.9％。

21、進一步的，步驟s3中，所述保溫時間為24～48h。

22、進一步的，步驟s3中，所述保溫溫度為1010℃。

23、進一步的，步驟s4中，所述振蕩次數(shù)為2～3次，所述降溫速率為1℃/h～2℃/h，所述升溫速率為1℃/h-3℃/h。

24、通過采用上述技術(shù)方案，能夠融掉多余的晶核，減少成核數(shù)量，避免得到大量但細小的晶體材料。

25、進一步的，所述晶核析出溫度為950℃。

26、通過采用上述技術(shù)方案，能夠在過飽和高溫熔液中析出晶核。

27、若溫度高于950℃，成核可能會受到抑制，因為較高的溫度意味著液體狀態(tài)更加穩(wěn)定，原子或分子的熱運動更強，不利于形成有序的晶體結(jié)構(gòu)；此外，如果溫度非常高，任何已經(jīng)形成的晶核也可能溶解回液相中，因為高溫提供了足夠的能量來破壞晶體結(jié)構(gòu)。若溫度低至860℃以下，會生成低溫區(qū)1:1六角結(jié)構(gòu)mnsb相雜相。

28、進一步的，步驟s5中，所述冷卻速率為1℃/h～2℃/h。

29、通過采用上述技術(shù)方案，能夠形成數(shù)量少但尺寸較大的單晶材料。

30、進一步的，所述溫度冷卻至860℃。

31、若高于該冷卻溫度，可能會使任何已經(jīng)存在的1:1相溶解或不穩(wěn)定；反之若低于該溫度，可能會有新相的析出，導致材料的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

32、進一步的，步驟s6中，所述淬火介質(zhì)為冰水或液氮。

33、通過采用上述技術(shù)方案，可以保持高溫的2:1四方結(jié)構(gòu)mn2sb高溫相，規(guī)避低溫區(qū)1:1六角結(jié)構(gòu)mnsb相雜相的生成。

34、第二方面，本發(fā)明提供一種由上述方法制得的mn2sb基合金單晶，所述mn2sb基合金單晶的化學式為：

35、mn2-xtxsb(ⅰ)；

36、式(ⅰ)中，所述x的取值范圍為0≤x≤1，所述t為過渡族金屬。

37、第三方面，本發(fā)明涉及上述方法制備的mn2sb基合金單晶在磁制冷、磁儲存和磁傳感領(lǐng)域中的應(yīng)用。

38、本發(fā)明提供的mn2sb基合金單晶相對于現(xiàn)有技術(shù)具有以下有益效果：

39、1、本發(fā)明制備mn2sb基合金單晶的方法，步驟簡單、生長周期短、成功率高，且獲得的單晶無雜相、質(zhì)量高、完整性好、尺寸大，適用于多數(shù)常規(guī)的研究手段，同時也有效規(guī)避了現(xiàn)有技術(shù)制備mn2sb基合金單晶時存在雜相的問題。

40、2、本發(fā)明的mn2sb基合金單晶，能夠廣泛應(yīng)用于更高要求的磁制冷、磁存儲、磁傳感等多個領(lǐng)域。

技術(shù)特征：

1.一種制備mn2sb基合金單晶的方法，其特征在于，所述方法，包括以下步驟：

2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟s1中，所述金屬單質(zhì)的純度不低于99.9％。

3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟s3中，所述保溫時間為24～48h。

4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟s3中，所述保溫溫度為1010℃。

5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟s4中，所述振蕩次數(shù)為2～3次，所述降溫速率為1℃/h～2℃/h，所述升溫速率為1℃/h～3℃/h，所述晶核析出的溫度為950℃。

6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟s5中，所述冷卻速率為1℃/h～2℃/h。

7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟s5中，所述最終溫度為860℃。

8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟s6中，所述淬火介質(zhì)為冰水或液氮。

9.一種由權(quán)利要求1～8任一項所述的方法制備的mn2sb基合金單晶，其特征在于，所述mn2sb基合金單晶的化學式為：

10.如權(quán)利要求9所述的mn2sb基合金單晶在磁制冷、磁儲存和磁傳感領(lǐng)域中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提出了一種Mn<subgt;2</subgt;Sb基合金單晶及其制備方法和應(yīng)用，其中，本發(fā)明制備Mn<subgt;2</subgt;Sb基合金單晶的步驟包括：S1、稱量；S2、封管；S3、熔煉；S4、振蕩降溫；S5、冷卻；S6、淬火。本發(fā)明制備Mn<subgt;2</subgt;Sb基合金單晶的方法，步驟簡單、生長周期短、成功率高，且獲得的單晶無雜相、質(zhì)量高、完整性好、尺寸大，能夠廣泛應(yīng)用于更高要求的磁制冷、磁存儲、磁傳感等多個領(lǐng)域，同時也有效規(guī)避了現(xiàn)有技術(shù)制備Mn<subgt;2</subgt;Sb基合金時存在雜相的問題。

技術(shù)研發(fā)人員：柯亞嬌,湯進,閆金鈴,王嘉賦
受保護的技術(shù)使用者：武漢理工大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19