CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA HỢP CHẤT TỪ NHIỆT VỚI CẤU TRÚC LOẠI NaZn13

- CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ TÍNH CHẤT TỪ.
- CỦA HỢP CHẤT TỪ NHIỆT VỚI CẤU TRÚC LOẠI NaZn 13.
- Chuyên ngành: Vật lý Nhiệt Mã số:.
- Ngành Vật lý Nhiệt Khóa 2011-2013 Lời cảm ơn!.
- Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên và đặc biệt tới các thầy cô ở Bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp – Khoa Vật lý đã cung cấp cho em kiến thức, kỹ năng làm nghiên cứu khoa học và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em học tập và hoàn thành luận văn..
- Ngành Vật lý Nhiệt Khóa 2011-2013 MỤC LỤC.
- 1 CHƢƠNG 1 - MỘT SỐ TÍNH CHẤT ĐẶC TRƢNG CỦA HỆ VẬT LIỆU TỪ NHIỆT CÓ CẤU TRÚC LOẠI NaZn 13.
- Cấu trúc tinh thể của hệ hợp chất La(Fe 1-x M x ) 13.
- Tính chất từ của hệ hợp chất La(Fe 1-x M x ) 13.
- Hiệu ứng từ nhiệt và ứng dụng.
- Các phương pháp xác định hiệu ứng từ nhiệt.
- Cấu trúc tinh thể của hợp chất La(Fe 1-x Si x ) 13 .
- Ảnh hưởng của nồng độ Si lên cấu trúc 1:13.
- Ảnh hưởng của nồng độ Si lên tính chất từ của hệ hợp chất La(Fe 1-x Si x ) 13.
- Ngành Vật lý Nhiệt Khóa 2011-2013.
- Ngành Vật lý Nhiệt Khóa 2011-2013 DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ.
- Vị trì các nguyên tử trong cấu trúc loại NaZn 13 của hợp chất LaCo 13.
- Một số thông số về nhiệt độ chuyển pha Curie và hiệu ứng từ nhiệt trong các hợp chất La(Fe 1-x Al x ) 13 và La(Fe 1-x Co x ) 11,7 Al 1,3.
- Hằng số mạng, nhiệt độ Curie và mômen từ bão hòa của các hợp chất La(Fe 1-x Si x ) 13 với x = 0,12.
- Hính 1.1: Cấu trúc lập phƣơng NaZn 13 : (a) cấu trúc tinh thể và (b) cấu trúc của một ô đơn vị.
- 4 Hính 1.2: Cấu trúc tứ diện đều.
- 5 Hính 1.3: Đồ thị mô tả nửa độ rộng lớn nhất với các giá trị ΔS m khác nhau.
- Hính 1.4: (a) Sự sắp xếp các mômen từ của vật liệu từ giả bền: dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài.
- (b) Đƣờng cong từ hóa của vật liệu từ giả bền.
- Hính 1.5: Đồ thị biển diễn sự phụ thuộc của năng lƣợng tự do vào từ độ.
- Hính 2.1: Sơ đồ nguyên lý của hệ nấu mẫu bằng phƣơng pháp nóng chảy hồ quang tại Bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp.
- Hính 2.2: Minh họa vùng hồ quang.
- Hính 2.3: Sơ đồ mô tả nguyên lý hoạt động của phƣơng pháp nhiễu xạ tia X.
- Hính 2.4: (a) Sơ đồ buồng mẫu thiết bị đo hệ số cảm từ SQUID.
- Hính 3.1: Phổ nhiễu xạ tia X của các hợp chất La(Fe 1-x Si x ) 13 với x = 0,12.
- Hính 3.2: Phổ nhiễu xạ tia X của hợp chất La(Fe 1-x Si x ) 13 với x = 0,12 trƣớc và sau khi ủ trong những điều kiện khác nhau.
- Ngành Vật lý Nhiệt Khóa 2011-2013 Hính 3.3: Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu La(Fe 0,86 Si 0,14 ) 13 trong những điều kiện ủ khác nhau.
- Hính 3.4: Phổ nhiễu xạ tia X của hợp chất La(Fe 0,79 Si 0,21 ) 13 trong những điều kiện ủ khác nhau.
- Hính 3.5: Sự phụ thuộc của hằng số mạng vào nồng độ Si của các hợp chất La(Fe 1-x Si x ) 13.
- Hính 3.6: (a) Sự phụ thuộc của từ độ vào nhiệt độ ở từ trƣờng H = 1 kOe và (b) đƣờng cong từ hóa ở nhiệt độ T = 1,8 K của hệ hợp chất La(Fe 1-x Si x ) 13.
- Hính 3.7: Sự phụ thuộc vào nồng độ Si của nhiệt độ Curie (a) và mômen từ bão hòa (b) đối với các hợp chất La(Fe 1-x Si x ) 13.
- Hính 3.8: Đƣờng cong từ hóa của các hợp chất La(Fe 0,82 Si 0,18 ) 13 (a) và La(Fe 0,79 Si 0,21 ) 13 (b) ở T = 1,8 K và T = 300 K.
- Hính 3.9: (a) Các đƣờng cong từ hóa đẳng nhiệt và (b) các đƣờng Arrott plots tại các nhiệt độ khác nhau trong hợp chất La(Fe 0,88 Si 0,12 ) 13.
- Hính 3.10: Các đƣờng Arrott plots tại các nhiệt độ khác nhau trong hợp chất La(Fe 0,85 Si 0,15 ) 13.
- Hính 3.11: Các đƣờng Arrott plots tại các nhiệt độ khác nhau trong hợp chất La(Fe 0,82 Si 0,18 ) 13.
- Hính 3.12: Sự phụ thuộc của biến thiên entropy từ vào nhiệt độ trong hợp chất La(Fe 0,88 Si 0,12 ) 13.
- Hính 3.13: Sự phụ thuộc của biến thiên entropy từ vào nhiệt độ đối với hợp chất La(Fe 0,88 Si 0,12 ) 13 trong biến thiên (a.
- Ngành Vật lý Nhiệt 1 Khóa 2011-2013 MỞ ĐẦU.
- Hiệu ứng từ nhiệt (MCE) được nghiên cứu từ khoảng 130 năm về trước..
- Vào năm 1930, trong chu trình làm lạnh người ta đã sử dụng vật liệu là Hidrô và Hêli [17-18].
- Năm 1976, Brown lần đầu tiên tìm thấy sự làm lạnh từ ở nhiệt độ phòng bằng kim loại đất hiếm Gd.
- Xuất phát từ bản chất bên trong mỗi vật liệu từ, hiệu ứng từ nhiệt là sự biến đổi nhiệt độ của vật liệu từ dưới tác dụng của từ trường ngoài trong quá trình đoạn nhiệt hay đó chính là sự biến đổi entropy của vật liệu dưới sự biến đổi của từ trường trong quá trình đẳng nhiệt..
- Trong những năm gần đây, hiệu ứng từ nhiệt đã được ứng dụng để làm lạnh và đạt đến nhiệt độ phòng.
- Cũng trong năm này, hai nhà vật lý người Mỹ là K.A.
- Pecharsky đã công bố hiệu ứng từ nhiệt khổng lồ trong các hợp chất Gd 5 (Si 1-x Ge x ) 4 (với 0,05 ≤ x ≤ 0,5) [15].
- Vật liệu này có MCE lớn gấp 2 lần so với kim loại Gd.
- Điều này đã mở ra cho các nhà khoa học một hướng nghiên cứu mới về hiệu ứng từ nhiệt và kỹ thuật làm lạnh từ nhất là trên các vật có chuyển pha từ ở gần nhiệt độ phòng.
- Việc nghiên cứu để chế tạo vật liệu có MCE lớn mà có nhiệt độ chuyển pha từ gần với vùng ứng dụng và sử dụng từ trường thấp, độ rộng của sự thay đổi entropy từ nhỏ (tính đơn pha cao) là vấn đề đang thu hút sự chú ý của các nhà khoa học trên thế giới.
- Trong số các vật liệu đã được nghiên cứu như: các hợp chất perovskite La 1-x Ca x MnO 3 và La 1-x Sr x CoO 3 [13] được xem là những vật liệu đầy tiềm năng ứng.
- Ngành Vật lý Nhiệt 2 Khóa 2011-2013 dụng trong kỹ thuật làm lạnh từ bởi giá thành thấp, công nghệ chế tạo đơn giản và hiệu ứng từ nhiệt lớn.
- Song song với quá trình phát triển việc nghiên cứu MCE trên các loại vật liệu từ khác, hiện nay vật liệu từ nhiệt có chuyển pha bậc nhất như Gd 5 (Si 1-x Ge x ) 4 [15], La(Fe 1-x M x ) 13 [1], MnAs, MnFe(P 1-x As x ) [8], hợp kim Heusler,…[11] đã thu hút sự chú ý do MCE của chúng lớn.
- Trong số các loại vật liệu đó, hợp chất giả lưỡng nguyên La(Fe 1-x M x ) 13 xuất phát từ vật liệu hai nguyên loại LaT 13 với cấu trúc lập phương loại NaZn 13 có thể ổn định nhờ việc thay thế một phần Fe bởi các kim loại M như Si, Al, Co.
- Tính chất từ của hệ hợp chất này phụ thuộc rất mạnh vào nguyên tố thay thế, nồng độ của M và độ đơn pha của mẫu..
- Trên cơ sở đó, luận văn sẽ tập trung nghiên cứu vào công nghệ chế tạo các mẫu với cấu trúc loại NaZn 13 , ảnh hưởng của sự thay thế Si vào vị trí Fe lên cấu trúc và tính chất từ trong hệ vật liệu La(Fe, Si) 13.
- Chƣơng I: Một số tính chất đặc trƣng của hệ vật liệu từ nhiệt có cấu trúc loại NaZn 13.
- Ngành Vật lý Nhiệt 3 Khóa 2011-2013 CHƢƠNG 1.
- MỘT SỐ TÍNH CHẤT ĐẶC TRƢNG CỦA HỆ VẬT LIỆU TỪ NHIỆT CÓ CẤU TRÚC LOẠI NaZn 13.
- Hợp chất liên kim loại R(Fe,M) 13 (R = La, Nd.
- Thực tế là do các hợp chất này có hàm lượng kim loại chuyển tiếp cao nhất trong các hợp chất đất hiếm – kim loại chuyển tiếp.
- Một trong những chủ đề hấp dẫn nhất của các hợp chất từ tính là liên kết kim loại của hợp chất La(Fe 1-x Si x ) 13 có cấu trúc lập phương đặc trưng của NaZn 13 - kiểu cấu trúc thuộc nhóm không gian Fm3c.
- Trong cấu trúc này, các ion Na nằm ở vị trí 8a còn có các ion Zn nằm ở các vị trí 8b và 96i, do vậy mỗi ô nguyên tố chứa 8 đơn vị công thức NaZn 13 [14]..
- Kiểu cấu trúc lập phương NaZn 13 chỉ thấy duy nhất trong trường hợp chất nhị nguyên đất hiếm – kim loại chuyển tiếp, đó là hợp chất LaCo 13 (Hình 1).
- Hơn nữa, các hợp chất này không chỉ có hàm lượng kim loại chuyển tiếp cao nhất trong các hợp chất đất hiếm - kim loại chuyển tiếp mà còn được dự kiến mômen từ cao ở mỗi nguyên tử.
- Trong hợp chất liên kim loại LaCo 13 , mômen từ rất lớn và nhiệt độ Curie cao (4πM s = 13kG, T C = 1290 K).
- Ngành Vật lý Nhiệt 4 Khóa 2011-2013 Mỗi nguyên tử Co I được bao quanh bởi 12 nguyên tử Co II do đó có đối xứng không gian giống như lập phương tâm mặt (fcc).
- Trên thực tế không tồn tại hợp chất LaFe 13 với cấu trúc lập phương loại NaZn 13 .
- Như vậy, một lượng nhỏ nguyên tố thứ ba sẽ tạo ra một hợp chất giả nhị nguyên với cấu trúc 1:13.
- Hay nói cách khác, chúng ta có thể ổn định hệ nhị nguyên đất hiếm – kim loại chuyển tiếp với cấu trúc lập phương loại NaZn 13 khi thay thế nguyên tử Fe II bởi kim loại thứ ba.
- Cấu trúc kiểu NaZn 13 cũng được hình thành khi thay thế một phần kim loại La bởi nguyên tố đất hiếm khác như trong hệ La 0,7 R y (Fe 0,.88 Si 12 ) 13 với R = Nd, Pr và Gd khi y = 0,2 [12]..
- Hính 1.1: Cấu trúc lập phƣơng NaZn 13 : (a) cấu trúc tinh thể và (b) cấu trúc của một ô đơn vị..
- Ngành Vật lý Nhiệt 5 Khóa 2011-2013 Zn.
- Hính 1.2: Cấu trúc tứ diện đều..
- Loại cấu trúc tứ diện đều có ô nguyên tố dịch chuyển dọc theo trục z từ cấu trúc lập phương NaZn 13 như minh họa trong hình 1.2.
- z ’ là tọa độ phân tử của cấu trúc tứ diện.
- x, y, z là tọa độ phân tử của cấu trúc lập phương.
- Mối quan hệ giữa các hằng số mạng trong cấu trúc tứ diện và lập phương:.
- Tính chất từ của hợp chất La(Fe 1-x M x ) 13 phụ thuộc mạnh vào hai yếu tố đó là nguyên tố M và nồng độ của nguyên tố M trong các hợp chất.
- Với M = Al, trạng thái từ trong hợp chất La(Fe 1-x Al x ) 13 là vật liệu sắt từ với 0,14 ≤ x ≤ 0,38.
- Ngành Vật lý Nhiệt 6 Khóa 2011-2013 liệu phản sắt từ với 0,08 ≤ x ≤ 0,13 [15].
- Trạng thái từ trong hợp chất La(Fe 1-x Al x ) 13 được ổn định khi 0,08 ≤ x ≤ 0,54 và giá trị lớn nhất của T C trong các loại hợp chất có thể lên tới 250 K và sau đó giảm dần [18].
- Khi nồng độ Fe tăng thì nhiệt độ chuyển pha Curie T C giảm và mômen từ bão hòa M s tăng.
- Trong hợp chất sắt từ La(Fe 1-x M x ) 13 biểu hiện một tính chất từ giả bền điện tử linh động.
- Tính chất này ảnh hưởng mạnh đến hiệu ứng từ nhiệt, hiệu ứng từ thể tích, từ giảo khổng lồ và một số tính chất khác của vật liệu..
- Các thông số từ của hệ hợp chất La(Fe x Si 1-x ) 13 được thống kê trong Bảng 1.2 [14].
- So với hợp chất ban đầu LaCo 13 , việc thay thế Co bởi Fe và Si đã làm giảm nhiệt độ chuyển pha T C một cách đáng kể và đồng thời làm tăng mômen từ..
- Một số thông số về nhiệt độ chuyển pha Curie và hiệu ứng từ nhiệt trong các hợp chất La(Fe 1-x Al x ) 13 và La(Fe 1-x Co x ) 11,7 Al 1,3 [14].
- Các hợp chất T C (K).
- Ngành Vật lý Nhiệt 7 Khóa 2011-2013 Trong các hợp chất La(Fe 1-x Co x ) 11,7 Al 1,3 nhiệt độ T C tăng dần và đạt giá trị lớn nhất cỡ nhiệt độ phòng khi nồng độ Co tăng từ x = 0,02 đến 0,08.
- Đỗ Thị Kim Anh và Nguyễn Phú Thùy, Cấu trúc tinh thể và hiệu ứng từ nhiệt trong hệ vật liệu có chuyển pha từ giả bền, Hội nghị Khoa học nữ lần thứ 6, Hà Nội 12/2001, 1-7..
- Nguyễn Hữu Đức (2003), Vật liệu từ liên kim loại, NXB ĐHQG Hà Nội..
- Nguyễn Hữu Đức (2003), Vật lý chuyển pha, NXB ĐHQG Hà Nội..
- Ngành Vật lý Nhiệt 8 Khóa 2011-2013 9.
- FU Bin, LONG Yi, SHI Puji, BAO Bo, ZHANG Min, CHANG Yongqin, YE Rongchang, Effect of praseodymium and cobalt substitution on magnetic properties and structures in La(Fe 1-x Si x ) 13 compounds, Journal of Rare Earths, Vol.
- Shen, Influence of interstitial and substitutional atoms on the crystal structure of La(FeSi) 13 , J.
- Ngành Vật lý Nhiệt 9 Khóa 2011-2013 17