Tính chất từ và hiệu ứng từ nhiệt trên cơ sở hợp kim heusler

Tính chất từ và hiệu ứng từ nhiệt trên cơ sở hợp

kim Heusler

Vũ Thị Tuyến

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên

Luận văn ThS chuyên ngành: Vật lý nhiệt; Mã số: 60 44 09

Người hướng dẫn: GS.TS Lưu Tuấn Tài

Năm bảo vệ: 2012

Abstract: Tổng quan về Hiệu ứng từ nhiệt: Khái niệm về hiệu ứng từ nhiệt; Cơ chế của

hiệu ứng từ nhiệt; Các phương pháp đo hiệu ứng từ nhiệt; Ứng dụng của hiệu ứng từ

nhiệt. Nghiên cứu về Vật liệu từ nhiệt: Một số vật liệu từ nhiệt phổ biến; Các vật liệu từ

nhiệt trên cơ sở các hợp kim liên kim loại chứa kim loại đất hiếm (intermetallics); Hiệu

ứng từ nhiệt trong các hợp kim nhớ hình; Hiệu ứng từ nhiệt trong các băng vô định hình

(VĐH). Tiến hành thực nghiệm: Đo đặc trưng tinh thể; Đo đặc trưng từ và hiệu ứng từ

nhiệt. Trình bày và đánh giá các kết quả đạt được: Cấu trúc từ của hợp kim

Ni50Mn38Sb12B1; Tính chất từ của hợp kim .

Keywords: Vật lý nhiệt; Tính chất từ; Hiệu ứng từ nhiệt; Hợp kim

Content

MỞ ĐẦU

Hiệu ứng từ nhiệt là một hiện tượng nhiệt động học từ tính, là sự thay đổi nhiệt độ của vật

liệu từ dưới tác dụng của từ trường. Một từ trường ngoài có thể ảnh hưởng mạnh lên trật tự từ của

một vật liệu. Trong quá trình từ hóa đoạn nhiệt, sự suy giảm entropy từ của hệ spin trong quá trình

định hướng theo từ trường ngoài sẽ được cân bằng lại bằng sự gia tăng entropy của mạng tinh thể và

do đó nhiệt độ của vật liệu tăng lên. Trong quá trình khử từ đoạn nhiệt, tức là quá trình ngược lại của

quá trình trên, sự gia tăng entropy của hệ spin nhằm thiết lập lại trạng thái ban đầu sẽ được thỏa mãn

nhờ sự suy giảm entropy của mạng tinh thể và do đó nhiệt độ của vật liệu giảm xuống. Kết quả của

quá trình làm thay đổi nhiệt độ của vật liệu được gọi là hiệu ứng từ nhiệt (Mangnetocaloric effect￾MCE). Nếu như quá trình từ hóa và khử từ được thực hiện trong điều kiện đẳng nhiệt (trong môi

trường nhiệt độ không đổi) thì vật có thể sinh nhiệt hay thu nhiệt. Nhờ đặc tính này hiệu ứng từ nhiệt

được ứng dụng trong kĩ thuật làm lạnh. Mặc dù kỹ thuật làm lạnh bằng phương pháp khử từ đoạn

nhiệt các muối thuận từ đã đạt được nhiệt độ cỡ Mililkenvin trong những năm gần đây, nhưng những

nghiên cứu về hiệu ứng từ nhiệt và các vật liệu từ nhiệt đối với các ứng dụng trong các thiết bị làm

lạnh nhất là trong vùng nhiệt độ phòng vẫn tiếp tục được nghiên cứu.

Những năm gần đây, các nhà khoa học đã phát hiện ra hiệu ứng từ nhiệt khổng lồ (giant

MCE) ở vùng nhiệt độ xung quanh nhiệt độ phòng trên hệ vật liệu Gd5Si2Ge2, hệ vật liệu này mở

ra khả năng ứng dụng trong thiết bị làm lạnh ở nhiệt độ phòng với công nghệ thân thiện với môi

trường. Hiệu ứng từ nhiệt gần các trạng thái tới hạn của chuyển pha từ. Chuyển pha từ loại hai

chỉ ra các đỉnh MCE rõ ràng và hiệu ứng MCE nhỏ. Chuyển pha từ loại một chỉ ra các đỉnh MCE

nhọn và hiệu ứng MCE lớn. Các nhà khoa học cũng phát hiện ra với Gd5Si1.7Ge2.3 đồng tồn tại

chuyển pha cấu trúc và chuyển pha từ tại nhiệt độ 239K. Chuyển pha này là chuyển pha loại một

với trễ nhiệt khoảng 7.4 K, trong khoảng từ trường 1 T. Những vật liệu có hiệu ứng từ nhiệt này

khá phổ biến, đây là những vật liệu khá tốt cho các ứng dụng nhưng thành phần Gd lại có giá

thành rất cao. Hệ MnFeP1-xAsx (0.25 < x < 0.65) được tìm thấy với chuyển pha loại một và có trễ

nhiệt khoảng 3.4 K, trong khoảng từ trường 0.5 T và các hệ vật liệu này cũng khá phổ biến. Hệ

vật liệu này có nhiều điểm phù hợp cho ứng dụng vào trong các thiết bị làm lạnh từ như: hiệu

ứng MCE lớn, trễ nhiệt nhỏ, khoảng nhiệt độ điều khiển 168 K 332 K và giá thành của các

thành phần Mn, Fe, P, As thấp, tuy nhiên As là nguyên tố có tính độc hại.

Hiện nay, hầu hết các nghiên cứu về các ứng dụng của thiết bị làm lạnh từ đều tập trung

vào các vật liệu có hiệu ứng từ nhiệt ở nhiệt độ phòng, các vật liệu có hiệu ứng từ nhiệt khổng lồ

(giant MCE) cùng với chuyển pha cấu trúc (first-order magneto-structural). Một số vật liệu: Gd￾5(SixGe1-x)4, La(FexSi1 − x)13Co(H), MnFeP1 − xAsx, MnAs1-xSbx, Ni0.50Mn0.50-xSnx, đã được nghiên

cứu cho thấy có hiệu ứng từ nhiệt khổng lồ cùng với chuyển pha cấu trúc (FOMST). Bên cạnh

đó, các hợp kim Heusler Ni-Mn-Sn và các hợp kim khác Ni-Mn-X (X=Ga, In, Sb) đang là những

vật liệu có nhiều thu hút trong việc nghiên cứu về các vật liệu từ nhiệt có ứng dụng trong công

nghệ làm lạnh, bởi những tính chất đặc biệt của các hợp kim này mang lại như : Hiệu ứng nhớ

hình, hiệu ứng từ nhiệt, từ điện trở và nhiều tính chất khác liên quan tới chuyển pha martensitic

(MT). Những hợp kim này cũng là những đại diện tiểu biểu cho ứng dụng vào trong các thiết bị

làm lạnh từ bởi chúng đều là những vật liệu có giá thành thấp và không độc hại.

Gần đây, trên cơ sở nghiên cứu về các vật liệu từ nhiệt và các hợp kim của chúng, người

ta đã thấy rằng có thể điều khiển nhiệt độ hay tác động đến nhiệt độ chuyển pha của các vật liệu

từ nhiệt theo hai cách chính sau :