重庆师范大学、重庆大学、伍伦贡大学的联合研究团队APL：ErFe₁₂₋ₓTiₓ中的反常热膨胀与磁临界行为

转自 AIPP学术

热胀冷缩：精密装备的核心痛点

高精度光学设备、微电子封装、航空航天核心部件，对尺寸稳定性的要求极高。温度稍有波动，普通材料的热胀冷缩就会导致器件精度下降，甚至功能失效。零热膨胀材料能在温度变化时保持尺寸几乎不变，是这类高端装备的刚需。但性能稳定、适用温区匹配的零热膨胀材料一直十分稀缺，相关微观机制也有待厘清。

核心发现：宽温区近零热膨胀磁性材料

来自重庆师范大学、重庆大学、伍伦贡大学的联合研究团队，在 ThMn₁₂型稀土 - 铁化合物体系中，实现了优异的高温零热膨胀性能。其中 ErFe10.9Ti_1.1样品在 447~507 K 的温度区间内，平均线性热膨胀系数低至 0.34×10^-6 K^-1，接近理想的零膨胀状态。另一组分 ErFe₁₁Ti 的零热膨胀温区为 448~509K，膨胀系数略呈负值，证明该体系的零热膨胀性能具有可调控性。

微观机制：磁效应精准抵消热膨胀

这种零热膨胀源于磁体积效应 —— 磁性材料的磁有序状态变化会引发体积异常，刚好抵消原子热振动带来的常规热膨胀。研究发现该材料的晶格热演化具有强各向异性：随温度升高，a 轴呈现反常的负热膨胀，c 轴保持正常的正热膨胀，二者相互补偿，最终实现了整体体积的近零变化。

定量计算显示，体系在居里温度（磁性材料从有序磁态转变为无序顺磁态的临界温度）以下存在显著的正自发体磁致伸缩：低温下强磁有序把晶格 “撑大”，升温时磁有序减弱带来的 “磁收缩”，刚好抵消了热膨胀。

图1

图2

多尺度表征：从原子尺度解析机理

团队结合多尺度表征技术，完整揭示了从微观原子到宏观性能的全链条机理。利用中子粉末衍射技术，研究人员精准观测了不同温度下的晶体结构、原子键长、位点磁矩的演化。中子衍射可以穿透材料内部，同时捕捉晶体结构和磁结构的变化。结合 Rietveld 精修（一种通过拟合衍射谱精准获取晶体结构参数的分析方法），团队定量提取了各原子位点的键长、坐标、磁矩随温度的变化，证实局域配位环境的协同弛豫是磁弹性耦合的微观起源。

临界行为：二级相变与多尺度响应差异

团队还系统研究了该体系的磁相变临界行为，证实这是典型的二级磁性相变，由长程磁交换相互作用主导，符合平均场理论模型。研究还发现了多尺度响应的差异：宏观零热膨胀在约 507K 终止，与低场下磁有序的快速退化温度一致；而微观晶格的残余非声子体积贡献，要到约 525 K 才完全消失。这两个温度与本征居里温度（513K）分别对应磁 - 晶格耦合的三个不同响应层级，体现了多尺度磁弹性效应的丰富物理内涵。

应用前景：多功能高温磁器件新选择

这类ThMn₁₂型稀土 - 铁化合物本身就具有居里温度高、饱和磁化强度大、磁各向异性可调的优点，是高性能永磁材料的热门体系。此次发现的零热膨胀特性，结合材料本身的磁热效应，让它可以同时实现高温尺寸稳定和磁制冷功能。

该研究为设计新型高温稳定的多功能零热膨胀磁性材料提供了系统的实验依据，在高精度磁器件、高温精密装备领域具有广阔的应用前景。

团队介绍

通讯作者：靳鑫、余鹏、王建立

依托单位：重庆师范大学、重庆大学、伍伦贡大学

基金支持：国家自然科学基金、重庆市自然科学基金、重庆市教委科技研究项目等

文章信息

Anomalous Thermal Expansion and Magnetic Critical Behavior in ErFe_12-xTi_x

Jie Pu; Qiao Zhou; Zhenxiang Cheng; Xuewei Lv; Xin Jin; Peng Yu; Jianli Wang

Appl. Phys. Lett. 128, 222203 (2026)

https://doi.org/10.1063/5.0335995