КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 19-72-00038

НазваниеИсследование влияния роли обменных взаимодействий на магнитные и магнитотепловые свойства квазибинарных соединений (R,Y)(Сo,Fe)2 со структурой фаз Лавеса

РуководительАникин Максим Сергеевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина", Свердловская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2019 - 06.2021 

Конкурс№40 - Конкурс 2019 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-207 - Магнитные явления

Ключевые словаМагнитокалорический эффект, фазы Лавеса, теплоемкость, магнитный фазовый переход, энтропия, намагниченность

Код ГРНТИ29.19.15


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
В настоящее время в мире ведется активный поиск магнитных материалов - рабочих тел магнитных холодильных машин (МХМ). По расчетам МХМ способно обеспечить в 2-3 раза больший коэффициент производительности по сравнению с газокомпрессионными тепловыми машинами. Одной из причин, тормозящих создание МХМ, является отсутствие магнитокалорического материала, удовлетворяющего всем требованиям инженеров, работающих над МХМ. Основные требования к таким материалам - высокие параметры магнитокалорического эффекта (МКЭ), такие, как изменение магнитной части энтропии (ΔSm), адиабатическое изменение температуры (ΔTad) и ширина пика ∆Sm и/или ΔTad на половине высоты максимума (∆Tfwhm), а также низкая стоимость и технологичность получения материалов. При исследовании магнитотепловых свойств квазибинарных соединений со структурой фаз Лавеса R(Сo,Fe)2 с тяжелыми редкоземельными металлами (РЗМ) было установлено, что частичное замещение Со на Fe приводит к возникновению в аномально широком температурном диапазоне ниже температуры Кюри (Тс) значительных, по сравнению со значениями в Тс, величин ΔSm и ΔTad. Позже было показано, что ширина пика ∆Tfwhm зависит не только от концентрации железа (х), но и от атомного номера редкоземельного металла, т.е. от энергии межподрешеточного обменного взаимодействия R-3d, которая изменяется в зависимости от атомного номера элемента R. Наличие в магнитокалорическом материале широких пиков ∆Sm и/или ΔTad представляет практический интерес, а понимание причин, приводящих к возникновению особенностей магнитной структуры в квазибинарных соединениях типа R(Co,Fe)2 (R - редкоземельные металлы) и ее температурные изменения важны для разработки новых соединений для практического применения. В рамках данного проекта, для более глубокого понимания роли обменных взаимодействий в образовании MКЭ в таких системах, впервые будут синтезированы и исследованы соединения, в которых магнитоактивный R-элемент заменен на немагнитный - иттрий (Y): (R,Y)(Co,Fe)2 (R = Gd, Tb, Dy, Ho ,Er). Исследования соединений с различными редкоземельными элементами позволяет варьировать энергию межподрешеточного обменного взаимодействия R-3d за счет того, что с ростом атомного номера R элемента от Gd до Er уменьшается их спиновый момент, а добавка иттрия должна дополнительно уменьшать энергию R-3d обменного взаимодействия, что должно приводить к усилению низкотемпературной аномалии МКЭ. Кроме того, различие орбитальных магнитных моментов у 4f- электронной оболочки должно позволить выявить влияние фактора локальной одноионной анизотропии в МКЭ.

Ожидаемые результаты
Ожидается получить новые зависимости магнитных и магнитотепловых свойств от состава квазибинарных фаз Лавеса (R,Y)(Co,Fe)2. В частности, температурных зависимостей намагниченности, теплоемкости, высокополевой восприимчивости, адиабатического изменения температуры образца и изотермического изменения магнитной части энтропии. Будет проведена оценка роли обменного взаимодействия и типа оси легкого намагничивания на формирование магнитных и магнитотепловых свойств синтезированных соединений. Также будут получены данные по практической применимости исследованных составов как материалов для создания рабочего тела магнитного холодильника. Такого комплексного изучения указанных интерметаллидов (R,Y)(Co,Fe)2, согласно имеющимся литературным данным, до сих пор не проводилось ни в одной научной лаборатории мира. Кроме того, полученные результаты будут полезны в создании рабочего тела для применения его в магнитных холодильных машинах, которые имеют значительно больший коэффициент производительности по сравнению с газокомпрессионными холодильными установками, что повлечет за собой снижение расходов на холодильные мощности, составляющих существенную долю в энергозатратах многих стран мира.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В рамках первого этапа проекта исследования влияния роли обменных взаимодействий на магнитные и магнитотепловые свойства квазибинарных соединений (R,Y)(Сo,Fe)2 со структурой фаз Лавеса были синтезированы две серии поликристаллических соединений (R1-хYх)(Co0.84Fe0.16)2, с R = Ho и Er, и соединения R(Co0.88Fe0.12)2, где R = Y и Er, и исследованы их структура, магнитные и магнитотепловые свойства. В ходе синтеза методом дугового плавления, было установлено, что в шихту необходимо добавлять избыток редкой земли и иттрия от 5 до 10 весовых % в зависимости от соотношения между компонентами. Фазовый анализ и уточнение параметров кристаллической структуры выполнено с помощью метода рентгеновской дифракции, с применением порошкового дифрактометра D8 Advance (Bruker). Кристаллическая структура основной фазы соединений R1–xYx(Co,Fe)2, при комнатной температуре, хорошо описывается гранецентрированной кубической Fd–3m пространственной группой. Уточненные параметры кристаллической решетки (а) при увеличении содержания иттрия (x) монотонно растут. Измерение магнитных свойств проводилось с использованием установки PPMS DynaCool (Quantum Design) в интервале температур от 2 до 380 K в магнитном поле до 90 кЭ и с использованием SQUID-магнитометра MPMS-XL-7 EC (Quantum Design) в интервале температур от 5 до 400 K в магнитном поле до 70 кЭ. Из анализа температурных зависимостей намагниченности ZFC и FC измеренных в магнитном поле 100 Э, определены температуры Кюри (Тс), точки магнитной компенсации (Тcomp) и температуры, предположительно, соответствующие спин-переориентационным переходам (Tsr). Зависимости Tc(x), при общей тенденции уменьшения с ростом х, имеют локальные максимумы и минимумы, предположительно связанными с неэквивалентным замещением тяжелых редкоземельных металлов на иттрий, приводящим, то к ослаблению, то к усилению межподрешеточного обменного взаимодействия. Так как исследуемые соединения являются двухподрешеточными ферримагнетиками, в которых магнитные гольмий и эрбий замещаются на «немагнитный» иттрий, то в результате наблюдаются различные виды кривых температурных изменений намагниченностей образцов, описанных Неелем. Из кривых намагничивания и размагничивания измеренных при 5 К в полях до 90 кЭ определены концентрационные зависимости намагниченности (в 90 кЭ), коэрцитивной силы и остаточной намагниченности. В соединениях Ho1–xYx(Co0.84Fe0.16)2 коэрцитивная сила на порядок меньше, чем для аналогичных составов с Er. Тенденция роста коэрцитивной силы с увеличением х до 0.8 наблюдается в обоих сериях. Из серий кривых намагничивания определены температурные зависимости высокополевой намагниченности при изменения магнитного поля от 20 до 70 кЭ. На которых помимо пиков соответствующих Tc, Tcomp и Tsr, обнаружены максимумы соответствующие так называемому низкотемпературному максимуму, возникающего из-за упорядочения внешним магнитным полем магнитных моментов редкоземельных ионов, частично разупорядоченных вследствие слабого R-3d обменного взаимодействия. На рассчитанных из кривых намагничивания зависимостях изменения магнитного вклада в энтропию ∆Sm(T), наблюдаются экстремумы соответствующие пикам на зависимостях χhf(T). Полученные зависимости ∆Sm(T) хорошо согласуются с данными прямого измерения адиабатического изменения температуры ∆Tad(T), измеренных на автоматизированной установке по измерению магнитокалорического эффекта в адиабатических условиях (MagEq MMS SV3) в температурном диапазоне 85–370 K при изменении внешнего магнитного поля ∆H = 17.5 кЭ. Качественная оценка влияния энергии межподрешеточного обменного взаимодействия на магнитокалорический эффект, была сделана из анализа приведенных температурных зависимостей изменения магнитной части энтропии ∆Sm/∆STc(T/Tc). Установлено, что в соединениях R1–xYx(Co0.84Fe0.16)2, где R = Ho и Er, при х ≤ 0.6, происходит ослабление энергии межподрешеточного обменного взаимодействия при введении иттрия, что приводит к росту значений ∆Sm/∆STc в окрестности низкотемпературного максимума. По результатам оценки практической применимости исследованных составов как материалов для создания рабочего тела магнитного охлаждающего устройства предложено три соединения, а именно Ho1–xYx(Co0.84Fe0.16)2, где x = 0 и 0.2, и Er(Co0.88Fe0.12)2, у которых значения ширины пика ∆Sm на половине высоты максимума (∆Tfwhm) и хладоёмкости (q) при ∆Н = 20 кЭ, превосходят аналогичные значения для металлического Gd, у последнего ∆Tfwhm = 49 K и q = 173 J/kg. Например для Ho(Co0.84Fe0.16)2 ∆Tfwhm = 315 K и q = 255 J/kg при ∆Н = 20 кЭ.

 

Публикации


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В рамках второго этапа проекта исследования влияния роли обменных взаимодействий на магнитные и магнитотепловые свойства квазибинарных соединений (R,Y)(Сo,Fe)2 со структурой фаз Лавеса было синтезировано несколько серий поликристаллических соединений (R1-хYх)(Co0.84Fe0.16)2, с R = Gd, Tb, Dy, Tm и Lu, и исследованы их структура, магнитные и магнитотепловые свойства. В ходе синтеза методом дугового плавления, была установлено, что в шихту необходимо добавлять избыток редкой земли и иттрия от 2 до 9 весовых % в зависимости от соотношения между компонентами. Фазовый анализ и уточнение параметров кристаллической структуры выполнен с помощью метода рентгеновской дифракции, с применением порошкового дифрактометра D8 Advance (Bruker). Кристаллическая структура основной фазы соединений R1–xYx(Co,Fe)2, при комнатной температуре, хорошо описывается гранецентрированной кубической Fd–3m пространственной группой. Уточненные параметры кристаллической решетки (а) при увеличении содержания иттрия (x) имеют общую тенденцию к росту для составов с Gd, Dy, Tm и Lu, и уменьшению для составов с Tb. Измерение магнитных свойств проводилось с использованием установки PPMS DynaCool (Quantum Design) в интервале температур от 2 до 395 K в магнитном поле до 90 кЭ, с использованием SQUID-магнитометра MPMS-XL-7 EC (Quantum Design) в интервале температур от 5 до 400 K в магнитном поле до 70 кЭ и VSM (LakeShore) в интервале температур от 400 до 530 K в магнитном поле до 15 кЭ. Из анализа температурных зависимостей намагниченности ZFC и FC измеренных в магнитном поле 100 Э, определены температуры Кюри (Тс), точки магнитной компенсации (Тcomp). Зависимости Tc(x) имеют общую тенденцию уменьшения с ростом х, связанную с ослаблением межподрешеточного обменного взаимодействия при добавке Y. Так как исследуемые соединения являются двухподрешеточными ферримагнетиками, в которых магнитные R элементы замещаются на «немагнитный» иттрий, то в результате наблюдаются различные виды кривых температурных изменений намагниченностей образцов, описанных Неелем. Из кривых намагничивания и размагничивания измеренных при 5 К в полях до 90 кЭ определены концентрационные зависимости магнитного момента в 90 кЭ, коэрцитивная сила и остаточной намагниченности. В соединениях с магнитными R коэрцитивная сила минимальна для составов с Gd, и максимальна для составов с Dy. Наблюдается тенденция роста коэрцитивной силы с увеличением х до 0.6 - 0.9, в зависимости от элемента R. Из серий кривых намагничивания определены температурные зависимости высокополевой намагниченности при изменения магнитного поля от 20 до 70 кЭ. На которых помимо пиков соответствующих Tc и Tcomp, обнаружены максимумы соответствующие так называемому низкотемпературному максимуму, возникающего из-за упорядочения внешним магнитным полем магнитных моментов редкоземельных ионов, частично разупорядоченных вследствие слабого R-3d обменного взаимодействия. На рассчитанных из кривых намагничивания зависимостях изменения магнитного вклада в энтропию ∆Sm(T), наблюдаются экстремумы соответствующие пикам на зависимостях χhf(T). Полученные зависимости ∆Sm(T) хорошо согласуются с данными прямого измерения адиабатического изменения температуры ∆Tad(T), измеренных на соединениях (R1-хYх)(Co0.84Fe0.16)2, с R = Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm и Lu на автоматизированной установке по измерению магнитокалорического эффекта в адиабатических условиях (MagEq MMS SV3) в температурном диапазоне 80–370 K при изменении внешнего магнитного поля ∆H = 17.5 кЭ. Качественная оценка влияния энергии межподрешеточного и внутреподрешеточного обменного взаимодействия на магнитокалорический эффект, указывает на её превалирующее влияние. В то время как влияние на МКЭ направления оси легкого намагничивания, величины магнитного момента R элемента в исследованных составах незначительно. По результатам оценки практической применимости исследованных составов как материалов для создания рабочего тела магнитного охлаждающего устройства наибольший интерес представляют составы на основе Ho, где при x = 0 и 0.2, значения ширены пика ∆Tad на половине высоты максимума (∆Tfwhm) и хладоёмкости (q) при ∆Н = 17.5 кЭ, сравнимы с аналогичными значения для металлического Gd.

 

Публикации

1. Аникин М.С., Тарасов Е.Н., Кудреватых Н.В., Незнахин Д.С., Сёмкин М.А., Селезнева Н.В., Андреев С.В., Зинин А.В. Magnetic and magneto-thermal properties of ferrimagnetic alloys (Er1-xYx)(Co0.84Fe0.16)2 and their dependence on the orientations of resultant and sublattice magnetizations Journal of Physics: Condensed Matter, - (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1088/1361-648X/abfc17

2. Аникин М.С., Тарасов Е.Н., Незнахин Д.С., Сёмкин М.А., Селезнёва Н.В., Андреев С.В., Рагозина М.В. и Зинин А.В. Магнитные и магнитокалорические свойства соединений Ho1-xYx(Co0.84Fe0.16)2 Физика твердого тела, - (год публикации - 2021)

3. Аникин М.С., Тарасов Е.Н., Сёмкин М.А., Волегов А.С., Потапов Е.В., Селезнева Н.В., Зинин А.В. МАГНИТНЫЕ И МАГНИТОТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА СОЕДИНЕНИЙ Nd(Co1-xFex)2, x ≤ 0.16 Челябинский физико-математический журнал, - (год публикации - 2021)


Возможность практического использования результатов
Полученные результаты расширяют знания в области замещения атомов с локализованным магнитным моментом на «немагнитный» элемент и влияния такого замещения на структуру, магнитные и магнитотепловые свойства, включая теплоемкость и магнитокалорический эффект. Что позволит быстрее разрабатывать новые функциональные материалы для создания рабочего тела для применения его в магнитных холодильных машинах, которые имеют значительно больший коэффициент производительности по сравнению с газокомпрессионными холодильными установками, что повлечет за собой снижение расходов на холодильные мощности, составляющих существенную долю в энергозатратах многих стран мира.