几种新型材料的磁性、电性、磁电阻及磁卡效应的研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 杜娟 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2007-11-09 |
| 授予单位 | 中国科学院金属研究所 |
| 授予地点 | 金属研究所 |
| 导师 | 张志东 |
| 关键词 | 磁性 电性 磁电阻 磁卡效应 制冷能力 类自旋玻璃 自旋阻挫 |
| 其他题名 | The magnetic, electronic transport properties, magnetoresistance and magnetocaloric effect in novel materials |
| 学位专业 | 材料物理与化学 |
| 中文摘要 | 我们采用磁控电弧熔炼、氩气保护下退火等方法制备了 ε-(Mn1-xFex)3+δGe 化合物和铁磁性哈斯勒合金 Ni-Mn-Sb 的系列合金试样。采用电弧熔炼、铜模吸铸方法制备了三元 Gd 基和 Tb 基块体金属玻璃系列合金试样。通过 X 射线衍射 (XRD)、差热分析 (DSC) 等手段分析了所制备合金试样的晶体结构及其晶格常数、非晶结构及其热力学参数。用标准电阻应变计测量了合金试样在磁场下的应变，用超导量子干涉仪 (SQUID) 测量合金试样的磁性、电性、磁电阻和磁卡效应。 在 ε-(Mn1-xFex)3+δGe 体系中, 我们主要研究了合金试样的电性和磁输运性质随 Fe替代量增加而变化的关系。解释了 Fe 替代后 (x > 0) 合金试样从金属导电性 (x = 0) 变为非金属导电性的原因是由于 ε-Mn3.25Ge 化合物特殊的电子能带结构。Fe 替代量为 0 ≤ x < 0.17 的合金试样，磁场对自旋涨落的抑制导致化合物出现负磁电阻。Fe 替代量为 0.17 ≤ x ≤ 0.2 化合物在 Tt (线性反铁磁 AFII－三角反铁磁 AFI) 以下和 TN (奈尔温度) 以上出现反常的正磁电阻。在 TN 以上的导电性符合跃迁式导电机制，磁场的加入使得这种导电机制中局域态波函数的叠加受到抑制，载流子运动的轨道收缩导致正磁电阻的产生；Tt 以下正磁电阻的产生是由于线性反铁磁的出现，从实验上验证了 Yamada 等人关于线性反铁磁体中会产生正磁电阻的理论推断。 由于环境保护意识的不断加强，近年来磁制冷技术和相关材料的研究成为制冷领域的研究热点。在反铁磁 ε-(Mn0.83Fe0.17)3+δGe 化合物的磁转变点 Tt 附近获得了磁场诱导的巨磁卡效应。当外加磁场后，该纯反铁磁体系在温度 Tt 附近发生了磁场诱导的 AFII－AFI 的变磁转变，伴随着这种变磁转变获得了数值巨大的反常磁卡效应。在 93 K 及 7 T 磁场下，最大磁熵变 ΔSM 为 11.6 J kg-1K-1。人们对磁制冷材料的研究都集中在铁磁性材料居里点附近，而我们的研究表明在纯反铁磁体中也可以获得数值巨大的磁卡效应，从而为研究和寻找新的磁制冷材料开辟了一个崭新的领域。 人们对铁磁性哈斯勒 (Heusler) 合金磁卡效应的研究集中在 Ni-Mn-Ga， Ni-Mn-In 和 Ni-Mn-Sn 三个体系中。我们选择了一种新的铁磁性哈斯勒合金 Ni-Mn-Sb 作为磁卡效应研究的对象，期望在室温获得大的磁卡效应。研究了 Ni50Mn50-xSbx 系列合金试样的马氏体转变行为、磁卡效应和磁场诱导的形状记忆效应。其中 Ni50Mn37Sb13 在 287 K，5 T 磁场下获得 9.1 J kg-1K-1 的大的磁熵变，此数值可与著名的室温磁制冷材料 Gd 相比 (ΔSM 为 9.8 J kg-1K-1)。此外在室温，合金试样Ni50Mn37Sb13 在相对低的磁场下(1.2 T) 显示了双向形状记忆效应。磁场诱导的反马氏体相变是产生大磁卡效应和应变的原因，而应变的动力是马氏体相大的磁晶各向异性。 由于非晶的无序结构的特点，使得铁磁性块体金属玻璃的磁转变点的温区较宽，从而为提高磁制冷能力 (RC) 提供了有利条件。研究了两种 Gd 基块体金属玻璃Gd55Co20Al25 和 Gd55Ni25Al20 的磁卡效应，分别在居里点 TC 附近, 7 T 磁场下获得了ΔSM 为 11.2 J kg-1K-1 (103 K) 和 10.8 J kg-1K-1 (82.5 K) 的大磁熵变；磁制冷能力 RC 值分别为 846 J kg-1 (5 T 磁场下为 541 J kg-1) 和 920 J kg-1 (5 T 磁场下为 640 J kg-1)，制冷能力超过了所有晶体磁制冷材料。而且，Gd55Ni25Al20 非晶的 RC 值超过了所有报道的晶体 (Gd5Si2Ge1.9Fe0.1, 5 T 磁场下 RC 为 360 J kg-1) 和非晶磁制冷材料 (Gd53Al24Co20Zr3，5 T 磁场下 RC 为 590 J kg-1) 的 RC 值。所制备的两种三元 Gd 基非晶的大磁卡效应以及大磁制冷能力使得它们具有潜在的应用背景。 此外，在三元 Tb 基块体金属玻璃 Tb55Co20Al25 中发现了类自旋玻璃行为，并且在 Tf 以下相对低的磁场 (2 T) 获得了巨磁卡效应 (4.5 K，最大磁熵变 ΔSM 为 20 J kg-1K-1)。阐明了类自旋玻璃产生的原因 (无序结构导致的随机性、Tb-Co 之间的反铁磁性和 Co-Co 之间的铁磁性两种交换作用的竞争导致的自旋阻挫)，巨磁熵变产生的原因 (非晶中Tb 和 Co 元素大的原子磁矩所导致的)。而巨磁熵变所需的相对较低的磁场是由于在 Tf 以下被冻结的具有磁随机各向异性的磁矩在相对较低的磁场下就会沿着磁场的方向排列。在类自旋玻璃体系中获得的反常的正磁卡效应为研究磁制冷的热力学行为提供了一定的依据。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2012-04-10 |
| 页码 | 120 |
| 源URL | [http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/17016]  |
| 专题 | 金属研究所_中国科学院金属研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 杜娟. 几种新型材料的磁性、电性、磁电阻及磁卡效应的研究[D]. 金属研究所. 中国科学院金属研究所. 2007. |
入库方式： OAI收割
来源：金属研究所
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