- Cấu trúc tinh thể của hợp chất La(Fe 1-x Si x ) 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. - 17 Hình 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. - Ngành Vật lý Nhiệt Khóa 2011-2013 Hình 3.5: Sự phụ thuộc của hằng số mạng vào nồng độ Si của các hợp chất La(Fe 1-x Si x ) 13. - 35 Hình 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. - 39 Hình 3.10: Các đƣờng Arrott plots tại các nhiệt độ khác nhau trong hợp chất La(Fe 0,85 Si 0,15 ) 13. - 40 Hình 3.11: Các đƣờng Arrott plots tại các nhiệt độ khác nhau trong hợp chất La(Fe 0,82 Si 0,18 ) 13. - 41 Hình 3.12: Sự phụ thuộc của biến thiên entropy từ vào nhiệt độ trong hợp chất La(Fe 0,88 Si 0,12 ) 13. - 42 Hình 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. - 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. - 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 hợp chất liên kim loại LaCo 13 , mômen từ rất lớn và nhiệt độ Curie cao (4πM s = 13kG, T C = 1290 K). - Khi nồng độ Fe tăng thì nhiệt độ chuyển pha Curie T C giảm và mômen từ bão hòa M s tăng. - 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. - Nồng độ của Fe tăng khi nhiệt độ Curie giảm và ngược lại mômen từ bão hoà tăng trong các trường hợp đó. - Do sự thay đổi đơn thuần Co trong LaCo 13 tương đương bằng thành phần của Fe bởi sự thay thế của Si đã làm giảm nhiệt độ chuyển pha Curie T C một cách đáng kể dẫn đến mômen từ tăng. - Khi mômen từ của một nguyên tử Fe tăng - nồng độ Fe tăng - nhiệt độ chuyển pha Curie T C giảm và có liên quan tới sự dãn nở nhiệt dị thường ở dưới nhiệt độ chuyển pha Curie T C đã được tìm thấy trong hợp kim Invar [4]. - Như vậy, nhiệt độ chuyển pha Curie T C phụ thuộc mạnh vào nồng độ Si.. - Tính chất tới hạn biểu hiện rất mạnh trong sự phụ thuộc vào nhiệt độ của độ cảm từ, từ độ và điện trở suất. - Chuyển pha thuận từ - sắt từ dưới tác dụng của tham số ngoài như từ trường, áp suất, nhiệt độ là đặc trưng của chuyển pha từ giả bền. - Xuất phát từ bản chất bên trong mỗi vật liệu từ, hiệu ứng từ nhiệt được định nghĩa là sự biến đổi nhiệt độ của một vật liệu từ khi chịu sự tác dụng của từ trường. - Trong trường hợp của chất sắt từ ở gần nhiệt độ trật tự từ, sự liên kết tới hạn của trường từ làm giảm entropy từ của chất rắn, đó là sự tỏa nhiệt bởi entropy mạng tinh thể tăng, giữ cho entropy không đổi trong hệ kín. - Từ việc làm lạnh bằng chất rắn, tới việc truyền nhiệt được cung cấp bởi chất lỏng (nước, khí trơ) phụ thuộc vào sự thay đổi của nhiệt độ.. - Hiệu ứng này đạt giá trị cực đại tại nhiệt độ chuyển pha từ của vật liệu (theo công thức về biến thiên entropy từ ở dưới, giá trị này cực đại khi biến thiên của mômen từ cực đại - xảy ra ở nhiệt độ chuyển pha Curie T C. - Thông thường, biến thiên entropy từ và biến thiên nhiệt độ đoạn nhiệt sẽ lớn khi vật liệu là sắt từ, và xảy ra lớn nhất ở nhiệt độ chuyển pha loại 2 (lý thuyết tính toán mới đây cho rằng hiệu ứng này lớn nhất tại nhiệt độ chuyển pha loại 1).. - Chu trình Brayton và Eicson chỉ xuất hiện khi làm lạnh ở nhiệt độ phòng, muốn quan sát được cần phải có thiết bị có dải nhiệt độ rộng.. - Trong quá trình làm lạnh, entropy mạng tinh thể được mở rộng tới phạm vi nhiệt độ phòng, sự thay đổi entropy từ khá lớn chỉ thấy được khi ở gần T C . - Entropy từ và sự biến thiên nhiệt độ đoạn nhiệt trong hiệu ứng từ nhiệt.. - Hiệu ứng từ nhiệt được xác định qua sự biến thiên entropy từ ΔS mag và biến thiên nhiệt độ đoạn nhiệt (ở P = const) ΔT ad . - Khi đó nhiệt độ thay đổi.. - H i ] S (1.6) ΔT ad (T) ΔH – biến thiên nhiệt độ đoạn nhiệt. - ΔT ad ảnh hưởng từ từ tới năng suất của quá trình làm lạnh, và tạo ra sự khác biệt nhiệt độ giữa nóng và lạnh của máy lạnh (phần lớn độ rộng ΔT ad tương ứng với hiệu suất làm lạnh của vật liệu và độ rộng nhiệt độ của máy lạnh). - biến thiên nhiệt độ đoạn nhiệt ΔT ad cực kỳ quan trọng cho ứng dụng. - Một cách gần đúng, có thể xem rằng biến thiên nhiệt độ đoạn nhiệt tỉ lệ thuận với biến thiên entropy từ, tỉ lệ nghịch với nhiệt dung và tỉ lệ thuận với nhiệt độ hoạt động.. - Như vậy, cả ΔS m và T ad đều phụ thuộc vào nhiệt độ và độ biến thiên từ trường ΔH, hai đại lượng này cũng là hàm của nhiệt độ. - Tại từ trường không đổi, từ độ của các chất thuận từ và các chất sắt từ giảm theo sự tăng nhiệt độ. - Xét một vật liệu từ được đặt trong một từ trường H, ở nhiệt độ T, áp suất P. - Từ phương trình trên có thể thấy rõ rằng trong vùng nhiệt độ mà vật liệu có biến đổi mômen từ lớn, ta có thể chờ đợi một hiệu ứng từ nhiệt lớn.. - Trong gần đúng trung bình có thể chứng minh một vật liệu sắt từ ở trạng thái đoạn nhiệt thì độ biến thiên nhiệt độ ΔT ad (do sự biến thiên từ trường ngoài) có dạng:. - Các hiệu ứng này làm tăng đáng kể sự biến thiên entropy và nhiệt độ của mẫu dưới tác dụng của từ trường, và dẫn đến các hiệu ứng từ nhiệt khổng lồ (Giant Magnetocaloric Effect – GMCE).. - Hiệu ứng từ nhịêt xảy ra ở vùng nhiệt độ thích hợp.. - ΔT ad tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối và tỉ lệ nghịch với năng suất nhiệt khi từ trường không đổi. - Và ta có thể hi vọng rằng vật liệu có sự thay đổi entropy từ và ΔT ad lớn khi từ trường thay đổi nhanh với nhiệt độ ở vùng lân cận nhiệt độ trật tự từ. - Khi entropy từ thay đổi, ΔS m và T FWHM đạt giá trị lớn nhất khi chu trình được 4/3 lần ở khoảng nhiệt độ T 3 - T 1 . - Tương tự, khi MCE được xác định trực tiếp thông qua biến thiên nhiệt độ đoạn nhiệt ΔT ad thì hiệu suất làm lạnh tương đối RCP dựa trên biến thiên nhiệt độ đoạn nhiệt sẽ là:. - Chuyển pha từ giả bền là chuyển pha loại một từ trạng thái thuận từ sang trạng thái sắt từ dưới tác dụng của từ trường, áp suất, hoặc nhiệt độ (Hình 1.4). - A(T), B(T), C(T) là các hệ số liên quan đến cấu trúc vùng năng lượng ở mức Fermi (E F ) và phụ thuộc và nhiệt độ. - Đo trực tiếp độ biến thiên nhiệt độ đoạn nhiệt ΔT ad. - Mẫu cần đo được đặt vào buồng cách nhiệt và có thể điều khiển nhiệt độ, tiếp xúc với cảm biến nhiệt độ. - Đặt từ trường vào để từ hóa và khử từ mẫu đo, cảm biến nhiệt độ sẽ ghi lại trực tiếp sự biến đổi nhiệt độ của vật liệu. - Các này cho trực tiếp biến thiên nhiệt độ đoạn nhiệt ΔT ad nhưng khó thực hiện hơn do phải tạo cho vật không có sự trao đổi nhiệt trong quá trình đo.. - Ngành Vật lý Nhiệt 19 Khóa 2011-2013 Liên quan trực tiếp đến nhiệt độ của mẫu trong từ trường H f , H i. - Kết quả thu được là hàm của nhiệt độ. - Đo gián tiếp qua việc đo từ độ: là cách xác định được dùng phổ biến nhất, tức là người ta xác định biến thiên entropy từ ΔS m từ đó xác định biến thiên nhiệt độ đoạn nhiệt. - Tức là ta xác định sự bến thiên của entropy từ ΔS m tại các nhiệt độ khác nhau khi đo các đường cong từ hóa đẳng nhiệt:. - dH (1.30) ΔT = T i+1 –T i : Hiệu các giá trị nhiệt độ của 2 đường cong từ hoá đẳng nhiệt liên tiếp,. - Ngành Vật lý Nhiệt 20 Khóa 2011-2013 nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau, xác định diện tích chắn bởi đường cong và biến thiên entropy từ chính là hiệu các diện tích liên tiếp chia cho biến thiên nhiệt độ.. - Từ biểu thức (1.30), ta nhận thấy ΔS m đạt giá trị lớn nhất khi nhiệt độ T ~ T C , vì từ độ sẽ giảm đột ngột tại các nhiệt độ ở lân cận nhiệt độ chuyển pha [6,8].. - Đó chính là một loại plasma nhiệt độ thấp [1].. - quang tại Bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp.. - Mẫu được ủ nhiệt ở nhiệt độ T = 1100 o C trong thời gian 7 ngày để mẫu được hoàn toàn đồng nhất về pha và ổn định cấu trúc của mẫu.. - Khả năng đo theo nhiệt độ được thực hiện bằng cách đưa vào một buồng mẫu điều nhiệt trong không gian chứa cuộn cảm ứng.. - Hình 3.1: Phổ nhiễu xạ tia X của các hợp chất La(Fe 1-x Si x ) 13 với x = 0,12. - Ngành Vật lý Nhiệt 34 Khóa 2011-2013 tại nhiệt độ chuyển pha Curie T C xuất hiện chuyển pha từ trạng thái sắt từ sang thuận từ. - Tuy nhiên, mômen từ của các hợp chất có thành phần Si thấp (x = 0,12 và 0,14) không tiến tới không ở trên nhiệt độ T C là do tồn tại của pha a-Fe. - Ngành Vật lý Nhiệt 35 Khóa 2011-2013 Hình 3.6: (a) Sự phụ thuộc của từ độ vào nhiệt độ ở từ trƣờng H = 1 kOe và. - Nhiệt độ chuyển pha Curie (T C ) của tất cả các hợp chất nhận được từ đường từ độ M(T), giá trị của nhiệt độ T C ứng với các nồng độ Si khác nhau được liệt kê trong bảng 3.1. - Từ các kết quả đó vẽ đồ thị sự phụ thuộc của nhiệt độ chuyển pha Curie vào nồng độ Si như đã chỉ ra trong Hình 3.7a. - Khi nồng độ Si tăng nhiệt độ chuyển pha Curie tăng tuyến tính và đạt giá trị lớn nhất tại 260 K với hợp chất có x = 0,21. - Nhiệt độ chuyển pha T C tăng là do sự co của mạng tinh thể (thể tích ô đơn vị giảm khi nồng độ Si tăng) có nguyên nhân từ sự thay đổi trong cấu trúc điện tử, khoảng cách giữa các nguyên tử trung gian với các ion Fe thay đổi [11]. - Ngành Vật lý Nhiệt 36 Khóa 2011-2013 Hình 3.6b biểu diễn các đường cong từ hóa của các hợp chất La(Fe 1-x Si x ) 13 tại nhiệt độ T = 1,8 K. - Hình 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. - Để so sánh độ từ hóa của hợp chất La(Fe 1-x Si x ) 13 ở trạng thái sắt từ và trạng thái thuận từ, chúng tôi đã vẽ đồ thị đường cong từ hóa ở 1,8 K và ở nhiệt độ phòng đối với thành phần x = 0,18 và 0,21 như đã chỉ ra trong Hình 3.8. - Ở nhiệt độ thấp T = 1,8 K, các hợp chất bị từ hóa ở các từ trường khác nhau (gọi là từ trường tới hạn H C. - Tại nhiệt độ phòng T = 300 K, ở trên từ trường tới hạn đường cong từ hóa là tuyến tính với x = 0,18 biểu hiện của tính thuận từ. - Hình 3.9 là đồ thị biễu diễn sự phụ thuộc của từ độ vào từ trường ở các nhiệt độ khác nhau (đường cong từ hóa đẳng nhiệt) đối với hợp chất có thành phần Si nhỏ (x = 0,12). - Giá trị của mômen từ bão hòa thay đổi theo nhiệt độ, nhiệt độ càng cao thì mômen từ bão hòa càng giảm đến nhiệt độ chuyển pha Curie T C = 202 K.. - Ngành Vật lý Nhiệt 38 Khóa 2011-2013 Hình 3.8: Đƣờng cong từ hóa của các hợp chất La(Fe 0,82 Si 0,18 ) 13 (a) và. - các nhiệt độ khác nhau trong hợp chất La(Fe 0,88 Si 0,12 ) 13. - Ở xung quanh nhiệt độ chuyển pha Curie dáng điệu của đường cong từ hóa thay đổi một cách rõ rệt. - Hình 3.10: Các đƣờng Arrott plots tại các nhiệt độ khác nhau trong hợp chất La(Fe 0,85 Si 0,15 ) 13. - Từ các đường Arrot ta cũng có thể xác định được nhiệt độ chuyển pha Curie, đó chính là đường thẳng đi qua gốc tọa độ. - Hình 3.11: Các đƣờng Arrott plots tại các nhiệt độ khác nhau trong hợp chất La(Fe 0,82 Si 0,18 ) 13. - Độ biến thiên entropy từ S m theo nhiệt độ tương ứng với độ biến thiên từ trường đối với hợp chất La(Fe 0,88 Si 0,12 ) 13 được xác định gián tiếp từ họ các đường cong từ hóa đẳng nhiệt thông qua biểu thức (1.30). - Hình 3.12 biểu diễn sự phụ thuộc của biến thiên entropy từ vào nhiệt độ, ta nhận thấy các đường đều có dạng đỉnh nhọn (caret- like) và ở trên nhiệt độ chuyển pha Curie độ biến thiên entropy đạt giá trị cực đại bằng 31,5 J/kg.K. - Ngành Vật lý Nhiệt 42 Khóa 2011-2013 Hình 3.12: Sự phụ thuộc của biến thiên entropy từ vào nhiệt độ trong. - hợp chất La(Fe 0,88 Si 0,12 ) 13. - Ngành Vật lý Nhiệt 43 Khóa 2011-2013 Hình 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. - Sau thời gian thực hiện luận văn tại Bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp, chúng tôi thu được một số kết quả như sau:. - Khi x tăng, nhiệt độ chuyển pha T C tăng và mômen từ bảo hòa M s giảm tuyến tính. - Sự thay đổi của nhiệt độ chuyển pha T C là do sự co của mạng tinh thể có nguyên nhân từ sự thay đổi trong cấu trúc điện tử. - Đối với hợp chất với nồng độ Si nhỏ (x = 0,12) chúng tôi đã quan sát thấy chuyển pha từ giả bền ở trên nhiệt độ chuyển pha T C = 202 K thông qua các đường cong Arrott plots