Магнитокалорический эффект в ферримагнитных соединениях на основе 3d- и 4f- металлов (1103602), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

Этоприводит к уточнению зависимостей МКЭ от намагниченности и намагниченности отмагнитного поля. Больший удельный вес здесь приобретают флуктуационные вклады втермодинамический потенциал, пропорциональные четвёртой степени намагниченности(рисунок 1), что можно описать в области магнитного фазового перехода следующейформулой:10T TCV , IIT   21I  I S2    I 4  I S4  ,24V ,I  dT  CIS(2)где I – намагниченность индуцированная магнитным полем в области парапроцессавблизи температуры Кюри, Is- самопроизвольная намагниченность, CV,I – теплоёмкость, ’и ’ – термодинамические коэффициенты.Величина МКЭ в соединениях Y2Fe17, Er2Fe17, Tb2Fe17 в т. Кюри практическиодинакова T=0.8K, что указывает на то, что основной вклад в МКЭ вносит железнаяподрешётка, поскольку обменное взаимодействие в подрешётке Fe намного превышаетобменное взаимодействие двухподрешёточных ферримагнетиков, действующее на РЗподрешётку.Вовторомпараграфеприводятсярезультатыисследованиямагнитокалорического эффекта в составах на основе соединений RCo2 (Ho(Co1-xAlx)2,Tb(Co1-xAlx)2, Tb1-xYxCo2, HoCo1,9Ga0,1).

Показано, что наибольшей величиной МКЭ (3÷3,5К в поле 13,5 кЭ) обладают составы с ФП первого рода HoCo2 и Ho(Co0,98Al0,02)2.Обнаружено, что величина МКЭ, так же как и температура Кюри для разбавленногосостава Ho(Co0,98Al0,02)2 оказывается выше, чем для исходного HoCo2. Составы TbCo2,11Tb(Co0,95Al0,05)2, Tb0,8Y0,2Co2 упорядочиваются при более высоких температурах, в этихсоставах происходит ФП второго рода, и величина МКЭ находится в интервале 0,85÷1,3 К(рис.

2). Исходя из s-f-зонной модели для этих ферримагнетиков получено выражение длятемпературы Кюри[12, 15]:2N i  B2 I ff N i  g J  1 J  J  1 2TC  I g J  1 J  J  1 d B , (3)3k B3k B2fdгдеIfd–интеграл2f-d-обменноговзаимодействия,d–обменноусиленнаявосприимчивость, Iff – интеграл f-f-обменного взаимодействия, gJ, J – квантовые числа дляРЗ иона, kB – постоянная Больцмана, Ni концентрация ионов.Для составов на основе (TbY)Co2 и Tb(CoAl)2 прослеживается тенденция,согласно которой небольшие замещения в обеих подрешётках приводят к заметномуувеличению (~0,5 К) величины МКЭ. При сильном разбавлении магнитных элементов вобеих подрешётках (составы Tb0,4Y0,6Co2 и Tb(Co0,8Al0,2)2) происходит уменьшение каквеличины МКЭ, так и температуры магнитного упорядочения (рис.2).Рис.

2. Температурная зависимость магнитокалорического эффекта составов Tb(Co1xAlx)2в магнитном поле H=13,5 кЭ (концентрация Al x дана на вставке справа).12Максимальные значения МКЭ в составах Ho(Co1-xAlx)2 обусловлены тем, что поддействием магнитного поля происходит фазовый переход первого рода (рисунок 3) ивыделяется теплота перехода.Рис. 3. Температурные зависимости магнитокалорического эффекта длясоставовHo(Co1-xAlx)2.При Т>TC кобальтовая подрешётка в HoCo2 и составах 0<x<0,06 не обладаетзначительным магнитным моментом в полях меньших некоторого критического поля НК.Магнитное поле, превышающее критическое Н>НК, индуцирует зонный магнетизм вкобальтовой подрешётке при T>TC.

При этом происходит скачкообразное возрастаниенамагниченности и резкое уменьшение магнитной энтропии SM в подрешётках, что приадиабатических условиях проявляется как возрастание температуры образца, т.е. какположительный МКЭ. Экспериментально мы наблюдаем большой МКЭ в результатевыделения теплоты перехода в соединениях Ho(Co1-xAlx)2 (Рисунок 3).ДлясоединенийHo(Co1-xAlx)2намипроизведёнрасчётвеличинымагнитокалорического эффекта и магнитной части энтропии из результатов измеренийнамагниченности на основе термодинамического соотношения Максвелла [13]: S T , H   I T , H    , H  T ,V  T V , H(4)где S(T,H) – энтропия магнетика, I(T,H) – намагниченность.13Вычисленное по формуле (4) из кривых температурной и полевой зависисмостинамагниченности соединения Ho(Co0,9Al0,1)2 величина МКЭ в поле Н=50кЭ в точкеперехода ТС=163К составила Тmax=6.2K. Величина МКЭ в этом и других составахHo(Co1-xAlx)2 при фазовом переходе первого рода возрастает во всём интервале полей до50кЭ.Для теоретического вычисления величины T, которое возникает из-за выделенияскрытой теплоты перехода CP,HT, также использовалась формула Клапейрона-Клаузиуса:dH KS,dTM(5)где S – скачок энтропии, M – скачок намагниченности, НК – поле, при котором,происходит фазовый переход первого рода.

Эта формула справедлива для фазовыхпереходов первого рода. Получим для HoCo2:T  T dH KM .C P ,H dT(6)Подставим экспериментально найденные нами значения dH/dT=2*103 Э/К и M=0.88*103Гс. Значение теплоёмкости CP,H=3.35*107 Эрг/К.Найдём, что T=4.2K в поле Н=13,5кЭ, что не очень сильно отличается отэкспериментального значения T=3.1K. Полученные результаты подтверждают наличиефазового перехода I рода в HoCo2 и в составах с замещениями Ho(Co,Al)2.В третьем параграфе исследуется МКЭ в составах RMnSi. Составы RМnSi, каки составы RMn2X2 (X = Si,Ge), показывают сравнительно большие изменение магнитнойчасти энтропии в области их магнитных фазовых переходов и существенные значениямагнитокалорического эффекта, хотя эти значения несколько меньше, чем в чистыхредкоземельных металлах [4-9] и в составах Gd5(Si,Ge)4[1], где в области фазовогоперехода первого рода из магнитоупорядоченного состояния в неупорядоченноенаблюдался гигантский МКЭ.

Тем не менее изучение магнитокалорического эффектаможет дать полезную информацию о магнитной структуре и обменных взаимодействиях вэтих составах, а именно измерения МКЭ (рис.4) показали, что в ферримагнитныхсоединении GdMnSi, в составах GdхLa1-хMnSi (при х>0,8) происходит раздельноеупорядочение магнитных подрешёток Mn и Gd: сначала при охлаждении упорядочиваетсяподрешётка Mn, а затем подрешётка Gd. Это можно объяснить слабым обменнымвзаимодействием Gd-Mn.

При высокой концентрации лантана (1-х=0,3; 0,4; 0,5) возникаетпри охлаждении переход из ферримагнитного состояния в антиферромагнитное, чтоможно объяснить антиферромагнитным упорядочением магнитных моментов атомов Mn.14Экспериментальноэтопроявляется впоявлениидвух максимумов на кривойтемпературной зависимости МКЭ (рис. 4).Рис.4. Температурная зависимость МКЭ в соединениях GdxLa1-xMnSi, H = 13,4 кЭ.Четвёртый параграф посвящён магнитокалорическому эффекту в соединенияхRTiGe и GdScSi.

В этих составах 3d-подрешётка, содержащая 3d-элементы Ti и Sc, необладает заметным магнитным моментом. Нами впервые проведены измерения МКЭсостава TbTiGe с кристаллической структурой типа CeFeSi и для составов GdTiGe иGdScSi с объемоцентрированной кристаллической структурой типа CeScSi. В районетемпературымагнитногоупорядочениядляобоихсоставовнамиобнаруженыположительные максимумы МКЭ. Обращает на себя внимание большая величина МКЭ всоставе GdTiGe (1,2К в поле 13,5кЭ). Весьма примечательно, что в GdTiGe величинаМКЭ, в точке Кюри ТС=375К, практически такая же, как в чистом Gd (T=1.8К в поле7.4кЭ, Т=ТС=295К) в области температуры Кюри. В то же время содержание Gd всоединении GdTiGe сравнительно невысоко.

Компаунд, содержащий Gd и GdTiGe,обладает высокой хладоёмкостью и позволит обеспечить высокие магнитокалорическиесвойства в широком интервале температур 300-370К. Величина МКЭ у состава GdScSiсоставляет 0,55К при температуре 320К. МКЭ соединения GdTiGe практически линейно15возрастает с увеличением напряженности магнитного поля вблизи температуры Кюри ТС,а насыщение в полях Н<13,5кЭ не достигается, что объясняется интенсивнымпарапроцессом вблизи ТС.

С изменением температуры наблюдается изменение наклонакривых T(H), следовательно, энтропия образца данного соединения плавно изменяется сизменением магнитного поля и температуры. Это указывает, что вблизи ТС в GdTiGeпроисходит фазовый переход второго рода. Проведённые исследования МКЭ в GdTiGe иGdScSi показали, что температурная и полевая зависимость МКЭ от намагниченностихарактерны для фазового перехода второго рода ферромагнетизм - парамагнетизм. ЗдесьМКЭ имеет обратимый характер, что важно для магнитных холодильных устройств. Какследуетизизмеренийнамагниченности,соединениеTbTiGeхарактеризуетсяантиферромагнитным типом упорядочения, что приводит к значительному уменьшениюМКЭ (до 0,3К) в этом соединении по сравнению с GdTiGe.

Наличие заметного эффекта иузкого положительного пика в точке перехода на температурной зависимости МКЭ,который обычно характерен для ФП ферромагнетизм-парамагнетизм, можно связать сослоистой магнитной структурой этого соединения - магнитное упорядочение внутри слоевGd или Тb и между ближайшими слоями Gd или Tb имеет положительный знак, тогда каквзаимодействие между блоками Gd или Tb, разделенными слоями Ti и Ge отрицательно.Такая слоистая магнитная структура с положительными взаимодействиями внутримагнитных блоков и отрицательным межблочным взаимодействием делает эти составыперспективным для изучения МКЭ в больших магнитных полях, при которых внешнеемагнитное поле могло бы воздействовать на антиферромагнитную структуру и тем самымсущественно повысить величину МКЭ.ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТАТЫ И ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИИ1.

Создана автоматизированная экспериментальная установка для измерениямагнитокалорического эффекта (МКЭ) прямым методом.2. Исследован МКЭ в области магнитных фазовых переходов и определеназависимость МКЭ от намагниченности и величины обменных взаимодействий вмагнитных подрешётках в ряде ферримагнитных РЗ соединений.3. Для соединений R2Fe17 с сильной локализацией 3d-электронов обнаружено, чтовеличина МКЭ этих составов определяется главным образом обменнымвзаимодействием в железной подрешётке.

Величина T-эффекта определяетсявкладами пропорциональными как квадрату, так и четвёртой степени, чтоуказывает на наличие в области перехода сильных спиновых флуктуаций из-заналичия как положительных, так и отрицательных обменных взаимодействий.164. Проведены измерения МКЭ для составов Y2Fe17-xMnx (x = 3; 4; 5). Заменажелеза на Mn приводит к заметному уменьшению МКЭ и температуры Кюри всоединениях Y2Fe17-xMnx. Показано, что магнитный фазовый переход измагнитоупорядоченного в парамагнитное состояние в соединениях R2Fe17-xMnxзанимает значительный интервал температур, что указывает на широкий спектротрицательныхиположительныхобменныхвзаимодействийвэтихсоединениях.5.

Характеристики

Список файлов диссертации