中文摘要：

高效磁制冷材料及其相关问题研究是当前国际上凝聚态物理领域的热点课题之一。本项申请以具有重要应用前景的LaFeSi基大磁熵变材料作为研究对象，利用中子衍射、X射线衍射、磁性测量以及能带结构计算，研究这些材料的晶体结构、相变、磁结构、原子占位和局域环境的变化对磁熵变和磁滞损耗的影响。通过元素替代、间隙原子效应调控相变温度和相变性质，研究磁性能与弹性能之间的竞争、自旋密度涨落、电子结构等与相变性质之间的关系，以及一级相变过程中的磁晶耦合效应，晶格负热膨胀、磁场诱发的巡游电子变磁转变对磁熵变和磁滞损耗的影响。揭示大磁热效应的物理机理，探索克服和抑制材料热滞和磁滞的有效方法，合成出具有低场大磁熵变、零磁滞损耗和高制冷能力的LaFeSi基室温大磁热效应材料，并应用于自已研制的新型室温磁制冷样机。本项工作不仅对于基本磁学问题的研究具有重要理论意义，而且对于获得高效的室温磁制冷材料具有重要的实用意义。

结论摘要：

本课题主要通过替代和参杂的方法使得LaFeSi基材料在室温附近保持较高磁熵变的同时降低甚至消除磁滞损耗。 1、在La0.5Pr0.5Fe11.5-xCoxSi1.5C0.2 (x=0, 0.2, 0.4, 0.6 和0.8)化合物中，用Co替代Fe，居里温度升高并可将相变温度调节到室温。与此同时，用Co替代Fe之后的磁滞损耗明显减小，当Co含量超过0.4时，热滞后和磁滞后基本消失显示出二级相变的特征。表明随着Co对Fe的替代，化合物的相变性质也由一级相变转变为二级相变，相变性质的转变主要是由于Co的替代或C的间隙都强烈抑制温度和磁场诱导的变磁转变，实现磁化强度随温度和磁场的完全可逆变化。尽管随着Co含量的增加磁熵变降低，但化合物扣掉滞后损耗之后的有效制冷能力并没有减小。表明在这系列化合物中La0.5Pr0.5Fe10.7Co0.8Si1.5C0.2在TC附近0-2 T和0-5 T磁场变化下的磁熵变最大值分别为5.8J/kg K和11.6 J/kg K远大于Gd单质。结果表明，Co替代Fe之后，化合物仍保持非常大的有效制冷能力，十分有利于在磁制冷机的应用。 2、间隙H的引入，不改变1:13结构，仅使晶格发生膨胀，并导致居里温度TC的增加。间隙H的引入，不但保持一级相变的特征，一级相变的巡游电子变磁转变使化合物在室温具有大的磁热效应，而且可以使热滞后和磁滞后明显减弱。在相变温度处，间隙H的引入可能改变了自旋波，从而使得顺磁态和铁磁态之间的能量壁垒有所降低，导致磁滞后的减小。 3、通过对间隙氢化物的XRD谱结构精修研究发现间隙氢对Fe-Fe键长的影响远大于磁相变。此外，与稀土替代的精修结果对比，得出LaFe11.5Si1.5间隙化合物的居里温度是由最短Fe-Fe键长决定的。 4、通过磁性测量来研究LaFe13-xSix (x=1.4, 1.5)一级相变，明显的热滞和磁滞表明材料是一级相变。磁场的增强驱动相转变温度向高温移动，这可用公式T'C(H)2-T'C(0)2∞H来表达。LaFe13-xSix (x=1.5)在变磁转变附近出现大的磁弛豫可以用一级相变的热激活理论来解释，反应了样品中能量壁垒的分布。LaFe13-xSix (x=1.4)在零场下的潜热达到1.8 kJ/kg，同时也表现出良好的磁性热敏电阻。