Магнитные, тепловые и магнитотранспортные свойства сплавов Гейслера на основе Ni-Mn-In

На правах рукописиКАЗАКОВ АЛЕКСАНДР ПАВЛОВИЧМАГНИТНЫЕ, ТЕПЛОВЫЕ И МАГНИТОТРАНСПОРТНЫЕ СВОЙСТВАСПЛАВОВ ГЕЙСЛЕРА НА ОСНОВЕ Ni-Mn-InСпециальность 01.04.11 – «Физика магнитных явлений»Авторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква - 2012Работа выполнена на кафедре магнетизма физического факультета Московскогогосударственного университета имени М.В. ЛомоносоваНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,профессорПрудников Валерий НиколаевичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наукпрофессорШавров Владимиркандидат физико-математических наукначальник лабораторииАронзон Борис АроновичВедущая организация:Национальный исследовательскийтехнологический университет "МИСиС"Защита состоится “ 17 ” мая 2012 г.

в 16 ч. На заседании диссертационного ссоветаД 501.001.70 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова поадресу: 119991 Москва ГСП-1, Ленинские горы, д. 1, стр. 2, МГУ им М.В. Ломоносова,ЦКП физического факультета, конференц-зал.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им.М.В. Ломоносова.Автореферат разослан “___” апреля 2012 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.70доктор физико-математических наук, профессор2Плотников Г.С.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАкутальностьтемы.СплавыГейслеранаосновеNi-Mn,обладающиеструктурным переходом, сопровождающимся изменением магнитных свойств, являютсяобъектом интенсивных фундаментальных и прикладных исследований, о чем можносудить по большому количеству публикаций, посвященных исследованию данныхматериалов.С точки зрения фундаментальной физики, исследования сплавов Гейслераинтересны, потому что в них может наблюдаться достаточно сложная последовательностьфазовых переходов, при которых меняются различные характеристики исследованныхсплавов.

Возможна ситуация, когда, например, температура cтруктурного перехода будетсовпадать с температурой Кюри. Таким образом, изменение магнитной структуры приструктурном фазовом переходе открывает путь к управлению этим переходом с помощьюмагнитного поля.

При таком совмещенном магнитоструктурном фазовом переходе можетнаблюдатьсядостаточносложнаязависимостьсвойствсплава,такихкакнамагниченность, магнитокалорический эффект, магнитосопротивление, эффект Холла отвнешних параметров, например, температуры или магнитного поля. Поведение свойствсплава вблизи таких переходов будет определяться сосуществованием двух фаз изависимостью их относительной концентрации от приложенного магнитного поля итемпературы.Одной из величин, принимающих наибольшие значения вблизи фазовых переходовв сплавах Гейслера, является изменение температуры образца при приложениимагнитного поля, т.е. так называемый магнитокалорический эффект.

Интерес кисследованиям магнитокалорического эффекта в сплавах Гейслера вызван, прежде всего,возможностью их практического применения в магнитном охлаждении. Магнитноеохлаждение, основанное на магнитокалорическом эффекте (МКЭ), т.е. изменениитемпературы магнетика при помещении его в магнитное поле, является экологическибезопасным и экономически выгодным методом охлаждения [1].

Главным преимуществоммагнитных рефрижераторов является их экономичность: теоретически их эффективностьможет достигать 30-60%, в то время как эффективность обычных компрессионныххолодильников не превышает 10% [2].Анонсирование в начале 1997 г. принципиально новой холодильной установки [3],способной работать вблизи комнатных температур и позволяющей экономить до 30%электрической энергии, и открытие несколькими месяцами спустя гигантскогомагнитокалорического эффекта вблизи комнатных температур в интерметаллиде3Gd5(Si2Ge2) [4] привели к активному поиску и интенсивному исследованию другихмагнитных материалов, которые могут обладать большим магнитокалорическимэффектом и значительной хладоёмкостью.

Наибольший эффект охлаждения следуетожидать в области температур, близких к температуре фазового перехода измагнитоупорядоченного в неупорядоченное состояние. В связи с этим поиск новыхмагнитных материалов для использования их в качестве рабочего тела в холодильныхустановках приводит нас к целому классу веществ, в которых наблюдаются не толькофазовые переходы второго рода, но и первого рода, ибо последние всегда сопровождаютсяпоглощением (выделением) теплоты.

Таким образом, если в веществах помимомагнитного фазового перехода имеет место структурный фазовый переход, т.е.происходит перестройка кристаллической решетки, то такие вещества оказываютсянаиболее привлекательными для использования в холодильных машинах. Это относится впервую очередь к материалам, в которых упомянутые фазовые переходы наблюдаютсявблизи комнатных температур. Опубликованные в литературе данные по изменениюмагнитной энтропии в сплавах Гейслера Ni-Mn-Z (Z = Ga, In, Sn) [5] позволяютрассматривать их как один из наиболее перспективных материалов для использования вкачестве рабочего тела в «магнитных» холодильниках ввиду их дешевизны инетоксичности.В отличие от магнитокалорического эффекта магнитотранспортные явления всплавах Гейслера систематически не изучались.

Эффект Холла и магнитосопротивлениеизучались лишь на конкретных сплавах, а результаты исследований использовались лишьдля определения температур фазовых переходов и для обсуждения различных вопросов,связанныхскинетикойструктурногопревращения.Исследованияжемагнитотранспортных явлений, таких как магнитосопротивление и эффект Холла, даютинформацию как о природе магнетизма в исследуемых материалах, так и о механизмахпроводимости.

Особое значение таких исследований в последние годы связано с бурнымразвитием спинтроники, основанной на магнитотранспортных свойствах ферромагнитныхструктур, а также с возможностью практического применения результатов для созданиядатчиков магнитных полей и магниторезистивных элементов памяти.Эффект гигантского магнитосопротивления рассматривается как первый эффект вобласти спинтроники, хотя эффекты анизотропного магнитосопротивления и аномальногоэффекта Холла АЭХ были известны с XIX века и также объяснялись при помощи спинполяризованных токов. Особый интерес в связи с изучением аномального эффекта Холлапредставляютименновысокорезистивныесплавысистемы;Гейслера.во-вторых,в4Действительно,сплавахГейслера,во-первых,которыеэтоимеютполуметаллический характер, аномальный эффект Холла определяется носителями толькоодной спиновой поляризации, что должно существенно упрощать сопоставление стеорией;в-третьих,всплавахГейслера,характеризующихсямартенситнымпревращением, возникает возможность исследовать АЭХ при фазовых переходах первогоивторогорода,метамагнетизмеиприналичиимагнитныхиструктурныхнеоднородностей.Таким образом, ввиду повышенного интереса к магнитокалорическим свойствамсплавов Гейслера, а также интереса, который они представляют как объектымагнитотранспортныхизмерений,изучениемагнитокалорическогоэффектаиисследования магнитотранспортных свойств сплавов Гейслера на основе Ni-Mn-Inпредставляют собой актуальную задачу, как с фундаментальной точки зрения, так и сточки зрения перспектив практических приложений.Цели исследования.

Цель диссертационной работы заключалась в исследованиимагнитных свойств, магнитокалорического эффекта, магнитосопротивления и эффектаХолла сплавов Гейслера Ni-Mn-In, допированых четвертым элементом и оценке влияниялегирования четвертым элементом на температуры фазовых переходов и физическиесвойства исследованных сплавов.Задачи исследования:1. Исследовать магнитные свойства сплавов Гейслера на основе Ni-Mn-In,легированных4-мэлементом,иопределитьтемпературыфазовыхпереходов. Установить влияние легирования 4-м элементом на магнитныесвойства исследованных сплавов и температуры фазовых переходов.2.

Исследовать прямым и косвенным методами магнитокалорический эффект всплавах Гейслера на основе Ni-Mn-In, допированных 4-м элементом.3. Детальноисследоватьмагнитотранспортныесвойства,такиекакмагнитосопротивление и эффект Холла, сплавов Гейслера на основеNi-Mn-In. Расчитать коэффициентов Холла с учетом их зависимости оттемпературы и величины приложенного магнитного поля.Положения, выносимые на защиту:1. Результаты исследования неупорядоченного магнитного состояния сплавовГейслеравмартенситнойфазе,вкоторойнаблюдаетсяэффектквазидиамагнетизма.2. Результаты исследования магнитокалорического эффекта вблизи фазовогоперехода 1-го рода, которые показали ограниченное применение изученныхматериаловвмагнитныхрефрижераторах,5посколькуизменениетемпературы вблизи таких переходов не намного больше, чем вблизифазовых переходов 2-го рода. В небольших магнитных полях изменениятемпературы изученных образцов сплавов Гейслера вблизи фазовыхпереходов 2-го рода больше, чем вблизи переходов 1-го рода.3.

Впервые обнаруженное необычное поведение сопротивления Холла приизменении величины приложенного магнитного поля вблизи структурногоперехода,котороесамосогласованногокачественнополясобъясненоиспользованиемврамкахрассчитанныхтеориизначенийкоэффициентов Холла.4. При структурном превращении в сплавах Гейслера Ni-Mn-In не происходитсмены типа проводимости, поскольку нормальный коэффициент Холла неменяет знак при структурном превращении.5. Зависимостианомальныхтемпературы,которыекоэффициентовнеХоллакоррелируютприсизменениизависимостьюэлектросопротивления от температуры.