Диссертация (Особенности магнитокалорического эффекта и магнитных свойств сплавов Fe-Rh в области фазового перехода антиферромагнетизм - ферромагнетизм), страница 8

Схема проведения такогоперехода показана на Рис. 14. В результате сверхбыстрых измерений получено, чтомагнитный переход АФМ – ФМ в пленке Fe-Rh происходит значительно быстрее, чемструктурный. Таким образом, авторами делается важное заключение о том, что изменениемагнитных свойств при фазовом переходе в Fe-Rh не связано с изменением постояннойрешетки. Полученные результаты могут свидетельствовать о прямой передаче энергии отспиновых возбуждений к спиновым и орбитальным моментам электронной системы прифазовом переходе. Следовательно, фазовый переход АФМ – ФМ может быть обусловленэлектронной подсистемой [171].

При этом в работе [2], сделано заключение о том, чтомагнитный и структурный переходы идут одновременно. Таким образом, даже проведениесверхбыстрых измерений с применением фемтосекундных лазеров на сегодняшний деньне дает определенного ответа о причинах, вызывающих фазовый переход в сплавах Fe-Rh.Рис. 14. Схема проведения сверхбыстрого АФМ – ФМ перехода в пленке Fe-Rh спомощью фемтосекундного лазерного импульса [169].Динамическое исследование намагниченности (методом XMCD, позволяющемпрямое измерение магнитного момента атома) при сверхбыстром переходе, вызванномлазером, показывает возрастание намагниченности за 100 пс при переходе АФМ – ФМ засчет быстрого процесса образования ФМ областей и дальнейшего медленного процесса ихрасширения.

В работе [173], получено, что в динамике роста намагниченности происходитбыстрый начальный рост магнитного момента за 10 нс, после которого следуетпостепенный процесс выравнивания, во время которого локальные магнитные моментывыравниваются один относительно другого за время около 50 нс. В результатеисследования динамики процесса размагничивания получено характерное времяразмагничивания в 200 фс [167], при этом, в работе [172] отмечено различное время36размагничивания атомов Fe и Rh – размагничивание Fe происходит за более короткоевремя. Рост намагниченности при фазовом переходе, которой происходит при нагреваниилазером, происходит значительно быстрее, чем, например, в результате охлаждения изПМ фазы. Это связано с тем, что охлаждение обычно ограничено скоростьютеплопереноса, который обычно происходит за время порядка наносекунд.Также, стоит отметить, что такой быстрый нагрев и быстрый переход обеспечиваютадиабатические условия и, следовательно, при переходах, индуцированных лазером вработах [2,168–170] должен был наблюдаться МКЭ.

Таким образом, особое внимание внастоящей диссертационной работе уделено обсуждению природы перехода АФМ-ФМ.Температура перехода может регулироваться путем легирования сплава Fe-Rhнебольшим количеством добавок. В работе [174] представлены кривые намагниченности иизменения магнитной части энтропии для следующих сплавов: Fe50Rh50, Fe50(Rh49Cu1),Fe50(Rh47Pd3), Fe50(Rh48Cu2), (Fe47,5Ni1,5)Rh51 (Рис. 15 - Рис.

16).Рис. 15. Температурные зависимости намагниченности сплавов Fe50Rh50,Fe50(Rh49Cu1), Fe50(Rh47Pd3), Fe50(Rh48Cu2), (Fe47,5Ni1,5)Rh51 [174]. Магнитное поле 1 Тл.37Рис. 16. Температурные зависимости магнитной части энтропии для сплавовFe50Rh50, Fe50(Rh49Cu1), Fe50(Rh47Pd3), Fe50(Rh48Cu2), (Fe47,5Ni1,5)Rh51 [174]. Магнитное поле2 Тл.Намагниченность насыщения сплава Fe50Rh50 MS ~ 140 А*м2/кг в поле 1 Тл, фазовыйпереход АФМ — ФМ наблюдается при температуре ~ 390 K (Рис.

15). Можно видеть, чтопри химической модификации кристаллической решетки Fe-Rh путем добавлениянебольшого количества 3d или 4d переходного металла уменьшаются значения какнамагниченности насыщения, так и температуры фазового перехода. При этомпроисходит увеличение температурного гистерезиса при магнитоструктурном переходе.Важнымэффективностипрактическимохлаждения,результатомполучившегоявляетсявзначительноезарубежнойлитературеувеличениеназваниехладоемкость (Refrigeration capacity, RC), при легировании сплава Fe50Rh50, даже несмотряна большие потери на гистерезис. Если величина RC для двухкомпонентной системыFe50Rh50 составляет около 150 Дж/К, то для легированных систем Fe50(Rh49Cu1),Fe50(Rh47Pd3), Fe50(Rh48Cu2), (Fe47,5Ni1,5)Rh51 величина RC увеличивается до значений 170Дж/кг – 210 Дж/кг.

Величина производительности охлаждения каждой системы,исследованной в работе [174], соответствует штрихованным площадям на графиках,представленных на Рис. 16. Возрастание величины RC вероятно связано с присутствием вобъемном образце небольших случайных закаленных областей и локальных дефектов.Добавление небольшого количества 3d или 4d переходного металла в решетку Fe-Rhприводит к значительному химическому разупорядочению, что влечет за собой уширение38перехода. В свою очередь, увеличение ширины перехода может способствовать квыигрышу в производительности охлаждения.

Авторы отмечают, что уменьшение пика∆Smag при добавлении других металлов в сплав Fe-Rh связано с изменениями вэлектронной зонной структуре.Таким образом, магнитокалорические и магнитные свойства сплавов Fe-Rh могутбыть «подстроены» путем введения в состав небольших добавок 3d или 4d переходногометалла. Возможность точного подбора таких параметров, как температура, ширинаперехода и производительность охлаждения сплава, является важным для потенциальногоиспользования сплавов на основе Fe-Rh для магнитного охлаждения. В связи с высокойстоимостью родия также интересен вопрос о возможности его полного или частичногозамещениявсплавахFe-RhприсохранениивысокихзначенийМКЭипроизводительности охлаждения.Эффект увеличения эффективности охлаждения в результате добавления в составсплава Fe-Rh небольшого количества третьего металла подтвержден также авторамиработы [21].

Были получены температурные и полевые зависимости намагниченностиобъемного сплава Fe0,975Ni0,025Rh. На основе данных по намагниченности былиопределены температурные зависимости изменения магнитной части энтропии ивычислены значения эффективности охлаждения, как для первого цикла изменениямагнитного поля, так и для последующих. Величина RC для первоначального увеличенияполя, представленная авторами RC = 510,45 Дж/кг, но для практического применениясплавов это значение не представляет значительного интереса, так как в реальныххолодильных установках используется большое количество циклов изменения магнитногополя.

Эффективное значение хладоемкости, которое соответствует многократномуизменению магнитного поля амплитудой 5 Тл с учетом потерь на гистерезис, равно 492,8Дж/кг [21].Авторы отмечают, что полученное значение RC является одним из наибольших,достигнутых в области комнатных температур, а МКЭ в полученном материале являетсявоспроизводимым при действии многократных циклов намагничивания/размагничивания.Изменение температуры магнитного перехода сплавов на основе Fe-Rh придобавлении небольшого количества Co, Ni и Pd отражено на фазовой диаграммепредставленной в работе [119].

Можно отметить различный характер зависимоститемпературы перехода от концентрации x для различных добавок: если для Co и Niзависимость имеет линейное поведение, то для Pd наблюдается характерный минимумпри x = 0,08.39Рис. 17. Магнитная фазовая диаграмма концентрация – температура для сплавов(Fe1-xNix)0,49Rh0,51 (квадраты), (Fe1-xCox)0,49Rh0,51 (треугольники), использованы данныеработы [175]; для сплавов Fe0,49(Rh1-xPdx)0,51 (открытые и закрытые круги), использованыданные работ [20,75,119]. Рисунок представлен в работе [119].В работе [176] также исследовалось влияние добавления металлов Fe, Co, Ni, Pd, Ir иPt на магнитные свойства. Исследовались сплавы FeRh1-xMx. Отмечено, что замена родия3d металлом понижает температуру перехода вследствие того, что магнитный моментатома замещающего металла стабилизирует ФМ фазу.

Авторами обнаружен фазовыйпереход АФМ – ФМ в системе FeRh1-xIrx, который сопровождается увеличением объема.Изменение магнитокалорических параметров при частичной замене родия в сплавахFe-Rh было исследовано также авторами работы [20]. Были проведены измерениянамагниченности, электрического сопротивления, теплоемкости и адиабатическогоизменения температуры для 7 сплавов с различным процентным содержанием добавкипалладия Fe49(Rh1-xPdx)51, где x = 0; 0,01; 0,03; 0,06; 0,07; 0,08; 0,09.