层状化合物TbMn2-xCoxSi2和LaMn2Ge2中的磁热效应及磁相变研究

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随着信息技术、电力和电子设备、制造业等领域的飞速发展,被广泛应用于这些领域的磁性功能材料在我们的日常生活中发挥着越来越重要的作用,现代磁性材料的研究和开发也取得了很大的进展,其中包括磁致冷材料的发现。基于磁热效应的磁致冷技术与常用的气体压缩技术相比,在节能环保方面具有巨大的潜力和优势,近年来引起了研究者们的广泛关注。具有中心对称ThCr2Si2型结构(I4/mmm空间群)的RT2X2系列三元金属间化合物(R为稀土,T为过渡金属,X为Si或Ge)由于具有大的磁热效应以及小的磁滞损耗,在磁性冷却方面具有广阔的前景。其中,因为RMn2X2化合物中Mn磁矩的大小以及Mn次晶格的磁性状态与Mn-Mn原子间的距离密切相关,人们可以通过元素替代的方式,利用其他元素分别在2a、4d和4e晶位取代R、Mn和X原子来调整其原子间距从而控制其磁性状态。近年来,这些RMn2X2化合物的磁热效应在磁制冷方面的应用受到了广泛的关注,而在磁相变时的磁弹性耦合和磁熵之间的关系,人们了解的较少,本文中对此系列化合物进行了系统的研究,从而建立磁性状态、物理性质和磁弹性耦合之间的关系,主要研究成果如下:(1)在氩气环境中用电弧炉熔炼的方法以及随后的退火工艺制备了名义成分为TbMn2-XCo XSi2(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4)的多晶样品,我们对Tb Mn2-xCoxSi2化合物的磁结构和磁相变进行了详细的研究。对X射线衍射以及中子衍射数据进行了Rietveld精修,证实了TbMn2-XCoXSi2样品具有体心四方结构,而晶格常数a、c随Co浓度的变化,表明了Co替代Mn存在各向异性收缩。TbMn2-XCoXSi2样品在室温下存在两个磁相变温度TC1和TC2,在TC1和TC2附近的磁弹性耦合导致单元晶格存在强的各向异性畸变。我们详细的中子衍射研究表明在两个磁相变温度之间形成了三倍磁性晶胞,三倍磁性晶胞的形成导致两个连续磁相变温度对外加磁场具有不同响应,在两个相变温度附近重叠的磁熵曲线导致了类高原状的磁热效应,实现了制冷能力的提高。(2)采用X射线、中子粉末衍射、磁测量以及热容研究相结合的方法,详细研究了铸态和带状La Mn2Ge2化合物的结构和磁性能,发现铸态样品比带状样品在制冷能力方面更有优势。随着温度的降低,中子衍射研究表明,在TN处,磁性态先由顺磁态转变为非公度反铁磁态AFfs,然后在TC处转变为非公度铁磁态Fmi。临界指数分析表明,La Mn2Ge2的磁相互作用是长程的。在居里温度附近的等温磁熵的变化表明这些材料有可能作为接近室温的磁性制冷材料。
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