Гигантские и сильно анизотропные магнитокалорические эффекты в монокристаллах неупорядоченных

Mar 26, 2024

Том 13 научных докладов, Номер статьи: 7105 (2023) Цитировать эту статью

385 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Магнитная анизотропия имеет решающее значение при исследовании подходящих материалов на предмет магнитных функций, поскольку она влияет на их магнитные характеристики. В работе синтезированы монокристаллы неупорядоченного перовскита RCr0,5Fe0,5O3 (R = Gd, Er) и исследовано влияние магнитной анизотропии и дополнительного упорядочения редкоземельных моментов на криогенные магнитокалорические свойства. И GdCr0,5Fe0,5O3 (GCFO), и ErCr0,5Fe0,5O3 (ECFO) кристаллизуются в ромбической структуре Pbnm со случайно распределенными ионами Cr3+ и Fe3+. В GCFO дальний порядок моментов Gd3+ возникает при температуре TGd (температура упорядочения моментов Gd3+) = 12 К. Относительно изотропная природа большого момента Gd3+, возникающего из нулевого орбитального углового момента, демонстрирует гигантский и практически изотропный магнитокалорический эффект. (MCE), с максимальным изменением магнитной энтропии \(\Delta {S}_{M}\) ≈ 50,0 Дж/кг·К. В ECFO сильно анизотропная намагниченность приводит к большому вращающемуся MCE, характеризующемуся вращающимся изменением магнитной энтропии \(\Delta {S}_{\theta }\) = 20,8 Дж/кг·К. Эти результаты показывают, что детальное понимание магнитно-анизотропных характеристик является ключом к изучению улучшенных функциональных свойств неупорядоченных оксидов перовскитов.

Возросшая популярность энергоэффективного магнитного охлаждения в чистых технологиях вдохновила на обширные исследования новых магнитных материалов с целью открытия эффективного метода усиления магнитокалорического эффекта (MCE), который описывается как изменение температуры (T) в магнитном материале путем применения магнитное поле (Н)1,2,3,4. MCE можно оценить по адиабатическому изменению T (\(\Delta {T}_{\mathrm{ad}}\)) и изотермическому изменению магнитной энтропии (\(\Delta {\mathrm{S}}_{\ mathrm{M}}\)) под воздействием H. Криогенное магнитное охлаждение имеет решающее значение для получения температур ниже Кельвина в качестве замены охлаждения с разбавлением 3He/4He, несмотря на повышенную стоимость и сжижение газообразного водорода, который используется в качестве альтернативного топлива. Недавно большие криогенные МКЭ были обнаружены в различных изолирующих оксидах переходных металлов5,6,7, которые обладают простотой изготовления, химической стабильностью и отсутствием неэффективности охлаждения из-за вихревых токов. Полезный аспект MCE был достигнут за счет \(\Delta {T}_{\mathrm{ad}}\) в различных оксидных магнитах, таких как Gd2CoMnO68 (\(\Delta {T}_{\mathrm{ad} }\) = 1,3 К для ΔH = 0–9 Тл при 2 К и \(\Delta {T}_{\mathrm{ad}}\) = 8,3 К для ΔH = 0–9 Тл при 17 К), SrFe0 .5Co0.5O39 (\(\Delta {T}_{\mathrm{ad}}\) = 1,8 К для ΔH = 0–5 Т при 330 К), HoMnO310 (\(\Delta {T}_{\mathrm {ad}}\) = 10,8 К для ΔH = 0–7 Тл при 11 К), CrO211 (\(\Delta {T}_{\mathrm{ad}}\) = 2,0 К для ΔH = 0–1,5 Тл при 390 К). Альтернативно, возможность магнитного охлаждения может быть улучшена за счет разработки вращающегося MCE8,12,13, чего можно достичь путем вращения хладагента при постоянном H. Преимуществами этого метода являются техническая простота и компактность устройства. Однако сильная магнитная анизотропия необходима для реализации охлаждения хладагентом, чего можно достичь с помощью монокристаллических магнитов, собственная магнитокристаллическая анизотропия которых возникает из-за анизотропного спин-орбитального взаимодействия, которое меняется в зависимости от симметрии и структуры. Криогенный вращающийся МКЭ наблюдался в нескольких изолирующих оксидных магнитах, таких как TbMnO314 (изменение магнитной энтропии, полученное при вращении, \(\Delta {S}_{\theta }\) = 9,0 Дж/кг·К для 5 Тл при 15 K), HoMn2O515 (\(\Delta {S}_{\theta }\) = 12,4 Дж/кг·К для 7 Т при 10 К), TmFeO316 (\(\Delta {S}_{\theta }\) = 9,0 Дж/кг·К для 5 Тл при 17 К), KTm(MoO4)217 (\(\Delta {S}_{\theta }\) = 9,8 Дж/кг·К для 5 Тл при 10 К), и KEr(MoO4)218 (\(\Delta {S}_{\theta }\) = 13 Дж/кг·К для 5 Тл при 10 К).

Соединения RCr0,5Fe0,5O3 (R = La, …, Lu) кристаллизуются в неупорядоченной орторомбо-перовскитной структуре с пространственной группой Pbnm, содержащей хаотично распределенные ионы Cr3+ и Fe3+ из-за схожих ионных радиусов Cr3+ (0,615 Å) и Fe3+ (0,645 Å). ) ионы19,20,21,22,23. Скошенный антиферромагнитный порядок возникает в RFeO3 благодаря доминирующим обменным связям Fe3+-Fe3+ (Γ4(GxAyFz) в обозначениях Берто)24. В RCr0.5Fe0.5O3 магнитная структура Γ4 возникает при значительно более низких T, что обусловлено эффектом магнитного разбавления ионов Cr3+28. Обширные исследования ряда соединений, основанных на различных магнитных фазах и взаимодействиях, выявили интригующие физические свойства, такие как метамагнетизм25,26, обменное смещение27,28, магнитодиэлектрический эффект22,29,30 и мультиферроичность31,32,33,34. Кроме того, крупные криогенные МКЭ в поликристаллических формах, такие как GdCr0,5Fe0,5O320 (\(\Delta {S}_{M}\)= 29,2 Дж/кг·К для ΔH = 0–4,5 Т), Gd2NiMnO635 (\( \Delta {S}_{M}\)= 37,2 Дж/кг·К для ΔH = 0–8 Тл), ErCr0,5Fe0,5O336 (\(\Delta {S}_{M}\)= 12,4 Дж/ кг·К для ΔH = 0–5 Тл) и DyCr0,5Fe0,5O333 (\(\Delta {S}_{M}\)= 11,3 Дж/кг·К для ΔH = 0–4,5 Тл). обнаруженный. Различные исследования выдвинули гипотезу, что большие магнитные моменты магнитных редкоземельных ионов с сильной анизотропией будут существенно влиять на криогенный МКЭ. Однако эти исследования были сосредоточены только на поликристаллических образцах, содержащих большое количество зерен всех пространственных ориентаций, что привело к среднему эффекту для наблюдаемых физических свойств.