Автореферат (Особенности магнитокалорического эффекта и магнитных свойств сплавов Fe-Rh в области фазового перехода антиферромагнетизм - ферромагнетизм)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В. ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиГимаев Радэль РадиковичОсобенности магнитокалорического эффекта и магнитных свойств сплавовFe-Rh в области фазового переходаантиферромагнетизм – ферромагнетизмСпециальность 01.04.11 – «Физика магнитных явлений»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква - 2017Работа выполнена на кафедре общей физики и физики конденсированного состоянияфизического факультета МГУ имени М.В. ЛомоносоваНаучный руководитель:Тишин Александр Метталиновичдоктор физико-математических наук, профессорОфициальные оппоненты:Пятаков Александр Павловичдоктор физико-математических наук, профессорфизического факультета МГУ имени М.В.ЛомоносоваЖуравлев Михаил Евгеньевичдоктор физико-математических наук, профессорфакультета свободных искусств и наук СанктПетербургского государственного университетаКарпенков Алексей Юрьевичкандидат физико-математических наук, доценткафедры физики конденсированного состоянияфизико-технического факультета Тверскогогосударственного университетаЗащита диссертации состоится «23» ноября 2017 года в ______ часов на заседаниидиссертационного совета МГУ.01.18 Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, д.1, стр.

8, корпус кафедры низкихтемператур и сверхпроводимости, конференц-зал.Email: perov@magn.ruС диссертацией можно ознакомиться в отделе диссертаций научной библиотеки МГУ им.М.В. Ломоносова (Ломоносовский просп., д. 27) и на сайте ИАС «ИСТИНА»:https://istina.msu.ru/dissertations/80990676/Автореферат разослан «____» октября 2017 г.Ученый секретарьдиссертационного советакандидат физико-математических наукА.И. ЕфимоваОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫВ последние годы существенно возрос интерес научного сообщества к сплавам на основеFe-Rh [1–7].

За прошедшее десятилетие исследователями, изучающими данные сплавы,опубликовано более 300 работ в научных журналах, индексируемых системами Scopus и Web ofScience, при этом количество публикаций возрастает год от года. Внимание ученых к даннымсплавам обусловлено двумя основными причинами: во-первых, фундаментальные исследованияданных сплавов интересны для выяснения природы магнитного фазового перехода первогорода, наблюдаемого в данном семействе сплавов и объяснения причины больших значениймагнитокалорического эффекта (МКЭ), во-вторых, сплавы на основе Fe-Rh являютсяперспективными с точки зрения практического применения.

Особенности фазового переходапервого рода, который происходит при температурах, близких к температуре человеческоготела, свойства магнитной и кристаллической структур в данных сплавах в сочетании сгигантскими значениями МКЭ делают материалы на основе Fe-Rh перспективными дляприменения в областях менее чувствительных к стоимости сплава и, в первую очередь, вмедицине (например, в технологии контролируемого высвобождения лекарств изимплантируемых устройств [8–10]), в технологии магнитной записи [11].МКЭ проявляется в изотермическом изменении магнитной части энтропии (ΔSM) или вадиабатическом изменении температуры (ΔT) магнитного материала при его намагничиванииили размагничивании (при изменении напряженности магнитного поля). Величины ΔT и ΔSMназываются магнитокалорическими параметрами (МКП) и являются количественнымихарактеристиками МКЭ.Близкие к стехиометрическому составу Fe50Rh50 сплавы Fe-Rh в равновесном состоянииобразуют ОЦК структуру типа CsCl и имеют ферромагнитное (ФМ) упорядочение дотемпературы Кюри (TC= 680 К) [1].

При последующем охлаждении сплав испытываетмагнитный фазовый переход в антиферромагнитное (АФМ) состояние. Этот переход являетсямагнитным фазовым переходом первого рода – переходом, при котором также происходятсущественные изменения в кристаллической структуре, поэтому данный переход можноотнести к магнитостуктурному. В сплавах Fe-Rh при переходе не происходит нарушениясимметрии кристалла, при этом наблюдается расширение кристаллической решетки сувеличением объема приблизительно на 1 %. Физические свойства сплавов Fe-Rhсущественным образом зависят от состава и процедуры приготовления образцов [7].

Так,например, получение сплавов с большими значениями МКЭ требует точного соблюдениятребуемых параметров температурной обработки сплава.Сплавы Fe-Rh с соотношением атомов железа и родия около 1:1 являются материалами,проявляющими максимальные значения МКП из известных на сегодняшний день материалов.Величины ΔSM и ΔT достигают значений до 20 Дж кг-1K-1 и 13 К, в магнитных полях 2 Тл, ивтрое превышают значения МКП чистого гадолиния. Отметим, что величина МКЭ в сплавахFe-Rh в 1,5 раза больше, чем в других известных на сегодняшний день сплавах с гигантскимМКЭ: Gd5Si4-xGex [12], La(FexSi1-x) [13], MnFeP(As,Ge) [14]. Важно подчеркнуть, что в данныхсплавах гигантские значения МКЭ были обнаружены после открытия МКЭ в сплавах Fe-Rh.Таким образом, можно утверждать, что исследования магнитокалорических свойств сплавов FeRh дали толчок к разворачиванию широких исследований и открытию других сплавов исоединений с фазовыми переходами первого рода, обладающих гигантским МКЭ.3Гигантская величина МКЭ в сплаве Fe-Rh впервые обнаружена на кафедре общейфизики и физики конденсированного состояния физического факультета Московскогогосударственного университета им.

М. В. Ломоносова в начале 1990-х гг. профессорами С. А.Никитиным и А. М. Тишиным с коллегами [15–18]. Как отмечалось выше, до настоящегомомента, данные сплавы имеют максимальную экспериментально обнаруженную величинуМКЭ и их, в этом смысле, можно рассматривать в качестве мирового «эталона» для сравнения.МКЭ очень чувствителен к магнитным и магнитоструктурным фазовым переходам.Именно поэтому, экспериментальные измерения МКЭ нередко применяются для детальногоисследования магнитных фазовых переходов и магнитных фазовых диаграмм в различныхмагнитных материалах.

Например, температурные и полевые зависимости МКЭ могут бытьиспользованы для определения температуры фазового перехода в тех случаях, когда другиемагнитные или тепловые измерения не дают точных результатов [19]. Для целей изученияособенностей фазового перехода первого рода магнитокалорическим методом наиболееподходящими и интересными материалами являются сплавы Fe-Rh, по этой причине внастоящей работе исследуются сплавы Fe50,4Rh49,6, Fe49,7Rh47,4Pd2,9 и Fe48,3Rh46,8Pd4,9.Расширение области практического применения сплавов на основе Fe-Rh можетдостигаться их легированием небольшими добавками металлов Pd, Pt, Ni. При этом, насегодняшний день в литературе отмечается ограниченное количество работ, посвященныхисследованию таких сплавов [20–22]. Известно, что легирование сплавов Fe-Rh металламипозволяет получить смещение температуры фазового перехода сплава и, соответственно, точкимаксимума МКЭ в широкой области температур.

В ходе выполнения настоящей работы былиполучены и исследованы сплавы Fe49,7Rh47,4Pd2,9 и Fe48,3Rh46,8Pd4,9, легированные Pd, в которыхмаксимальные значения МКЭ наблюдаются при температурах около комнатных значений иоколо значений температуры человеческого тела. Такие материалы представляют интерес дляпрактического применения в магнитной записи и медицине. Кроме того, исследование такихсплавов интересно с фундаментальной точки зрения для прояснения механизмовмагнитоструктурного фазового перехода первого рода, сопровождающимся гигантским МКЭ.В настоящее время при исследовании МКЭ применяются экспериментальные методики,основанные как на косвенном определении параметров МКЭ из экспериментальных данныхизмерений намагниченности и теплоемкости, так и на прямых измерениях адиабатическогоизменения температуры ΔT.

Применение косвенных методов при исследовании МКЭ вматериалах с фазовым переходом первого рода позволяет получить менее достоверныеэкспериментальные результаты, что связано с особенностями перехода, такими как наличиетемпературного гистерезиса и области сосуществования двух фаз в данных сплавах. Этоприводит к возникновению ошибок обработки исходных данных и появлению физическинеобоснованных аномалий на кривых. Данные недостатки косвенных методов не проявляютсяпри использовании прямых методов измерения.

При прямом измерении величина ΔTизмеряется напрямую термопарой или датчиком температуры, установленном на исследуемомобразце. В дополнение, прямые измерения позволяют получить полевые зависимости ΔT завремя одного или нескольких циклов изменения магнитного поля.Проведение исследований МКЭ в сплавах Fe-Rh как прямыми, так и косвеннымиметодами требует рассмотрения температурного гистерезиса магнитного перехода АФМ – ФМ,который оказывает заметное влияние на воспроизводимость результатов при измерениях МКЭи, таким образом, приводит к ошибкам определения величины МКЭ. Для исключения влияниятемпературного гистерезиса прямые измерения МКЭ в сплавах Fe-Rh должны проводиться4таким образом, чтобы фазовый переход в течение всего времени измерений осуществлялсятолько в одном направлении. Для выполнения данного требования в ходе настоящей работыизмерения проводились согласно разработанному протоколу измерений, согласно которомуперед каждым измерением физической величины образец переводится в ФМ фазу нагреванием,после которого выполняется медленное охлаждение с постоянной скоростью до требуемойтемпературы измерения.Цель исследования.