Nghiên cứu cấu trúc tinh thể và tính chất từ của hệ vật liệu la1 yceyfe11,44si1,56

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Thị Hậu NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA HỆ VẬT LIỆU La1-yCeyFe11,44Si1,56 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội -2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Thị Hậu NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA HỆ VẬT LIỆU La1-yCeyFe11,44Si1,56 Chuyên ngành : Vật Lý Nhiệt Mã số: Chƣơng trình đào tạo thí điểm NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS Đỗ Thị Kim Anh LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội -2015 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, cho phép đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới PGS.TS Đỗ Thị Kim Anh, cô ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn khoa học, bảo tận tình tạo điều kiện tốt giúp suốt trình nghiên cứu thực luận văn Để đạt đƣợc thành công học tập hoàn thành khóa học nhƣ ngày nay, xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn tới thầy cô môn Vật lý Nhiệt độ Thấp, Khoa Vật Lý Phòng Sau đại học, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Các thầy cô trang bị tri thức khoa học tạo điều kiện học tập thuận lợi cho suốt thời gian qua Cuối cùng, xin bày tỏ lòng biết ơn sấu sắc, tình yêu thƣơng tới gia đình bạn bè – nguồn động viên quan trọng vật chất tinh thần giúp có điều kiện học tập nghiên cứu khoa học nhƣ ngày hôm Luận văn có hỗ trợ đề tài mã số QG.14.16 Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Tác giả Nguyễn Thị Hậu i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Danh mục ký hiệu TC: Nhiệt độ Curie ∆H: Biến thiên từ trƣờng |∆S|max: Entropy từ cực đại Ms: Mômen từ bão hòa Danh mục chữ viết tắt AFM: Phản sắt từ FM: Sắt từ PM: Thuận từ MCE: Hiệu ứng từ nhiệt SQUID: Giao thoa kế lƣợng tử siêu dẫn TLTK: Tài liệu tham khảo XRD: Nhiễu xạ tia X ii iii iv MỞ ĐẦU Ngày nay, lƣợng môi trƣờng hai vấn đề nóng bỏng toàn nhân loại Các nguồn tài nguyên thiên nhiên, nguồn nguyên liệu hóa thạch ngày cạn kiệt Vì việc nghiên cứu chế tạo nguồn lƣợng tích trữ nhƣ tiết kiệm lƣợng vấn đề cấp thiết Bên cạnh đó, môi trƣờng ngày bị ô nhiễm cách trầm trọng Đi với việc xử lý rác thải làm môi trƣờng, việc bảo vệ giảm thiểu chất thải sản xuất gây tình trạng ô nhiễm môi trƣờng vấn đề đáng ƣu tiên Ngiên cứu tìm công nghệ vừa có khả ứng dụng đời sống vừa có ƣu điểm phù hợp với vấn đề bảo vệ môi trƣờng đã, mối quan tâm hàng đầu nhà nghiên cứu nhƣ nhà sản xuất Trong hƣớng nghiên cứu đó, công nghệ làm lạnh từ nhiệt dựa hiệu ứng từ nhiệt (Magnetocaloric Effect-MCE) ứng cử viên sáng giá cho việc cải thiện hiệu sử dụng lƣợng nhƣ bảo vệ môi trƣờng Hiệu ứng từ nhiệt hiệu ứng dựa thay đổi nhiệt độ vật liệu từ nhờ tác động từ trƣờng Nó hiệu so với kỹ thuật làm lạnh truyền thống dựa nguyên lý nén giãn khí truyền thống Nếu nhƣ thiết bị làm lạnh lý tƣởng dựa nguyên lý nén, giãn khí truyền thống thị trƣờng đạt đƣợc hiệu suất 40% thiết bị làm lạnh từ trƣờng đạt tới hiệu suất 70% chu trình nhiệt động lực học lý tƣởng (chu trình Carnot) Hơn nữa, làm lạnh từ trƣờng không sử dụng chất khí làm lạnh, không liên quan đến việc làm suy giảm tầng ôzon hiệu ứng nhà kính, thân thiện với môi trƣờng Trên thực tế, hiệu ứng từ nhiệt đƣợc phát từ lâu (năm 1881) Warburg) [19] đƣợc ứng dụng kỹ thuật làm lạnh nhiệt độ thấp (đến cỡ micro Kelvin) [9].Tuy vậy, vật liệu từ thực đƣợc quan tâm tập trung nghiên cứu gần phát chế nhƣ độ lớn hiệu ứng từ nhiệt Việc tìm kiếm vật liệu từ nhiệt có khả ứng dụng máy làm lạnh từ trƣờng vùng nhiệt độ phòng ngày đƣợc quan tâm nghiên cứu [15, 16, 25] Cho tới nay, nhiều nhóm nghiên cứu giới phát triển nhiều hệ vật liệu từ với MCE lớn Các hợp chất perovskite La1yCayMnO3 La1-ySryCoO3 [23] đƣợc xem vật liệu đầy tiềm ứng dụng kỹ thuật làm lạnh từ giá thành thấp, công nghệ chế tạo đơn giản hiệu ứng từ nhiệt lớn Các vật liệu từ nhiệt có chuyển pha bậc nhƣ Gd5Si4-yGey [24], LaFe13-xMx [8], MnAs, MnFeP1-yAsy [10], hợp kim Heusler [19], thu hút ý MCE khổng lồ chúng Trong số loại vật liệu này, hợp chất giả lƣỡng nguyên LaFe13-xMx đƣợc quan tâm đặc biệt, xuất phát từ vật liệu hai nguyên loại LaT13 với cấu trúc lập phƣơng loại NaZn13 ổn định nhờ việc thay phần Fe kim loại M nhƣ Si hay Al Tính chất từ hệ hợp chất phụ thuộc mạnh vào nguyên tố thay nồng độ Khi nồng độ Fe tăng nhiệt độ chuyển pha Curie TC giảm mômen từ bão hòa Ms tăng Trong hợp chất sắt từ LaFe13-xMx biểu tính chất từ giả bền điện tử linh động Tính chất ảnh hƣởng mạnh đến hiệu ứng từ nhiệt, hiệu ứng từ thể tích, từ giảo khổng lồ số tính chất khác vật liệu So với tác nhân từ trƣờng áp suất ảnh hƣởng điền kẽ hydro cacbon lên tính chất từ vật liệu mạnh [17] tƣơng đƣơng nhƣ thay Fe nguyên tố Si Co Việc pha tạp nguyên tố đất khác nhƣ Pr, Nd, Ce, Er Gd vào vị trí La đƣợc nghiên cứu nhằm mục đích cải tiến MCE, thay đổi nhiệt độ chuyển pha Curie giảm từ trƣờng tới hạn chuyển tiếp từ 3d hợp chất La(Fe, Si)13 [21] Trên sở đó, luận văn em tập trung nghiên cứu cấu trúc tinh thể tính chất từ hệ vật liệu La1-yCeyFe11,44Si1,56 thay phần La Ce Bố cục luận văn bao gồm phần sau: MỞ ĐẦU Chƣơng I: TỔNG QUAN VỀ HỆ VẬT LIỆU CÓ CẤU TRÚC NaZn13 Chƣơng II: MỘT SỐ CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chƣơng III: PHƢƠNG PHẤP THỰC NGHIỆM Chƣơng IV: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN KẾT LUẬN KẾT LUẬN Sau thời gian thực luận văn Bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp, thu đƣợc số kết nhƣ sau:  Đã chế tạo thành công hệ mẫu La1-yCeyFe11.44Si1,56 với y = 0,1; 0,2; 0,3 Nhiễu xạ bột tia X mẫu đơn pha với cấu trúc tứ diện loại NaZn13 thuộc nhóm không gian I4/mm Hằng số mạng kích thƣớc hạt giảm tăng nồng độ Ce Điều đƣợc giải thích bán kính nguyên tử Ce nhỏ bán kính nguyên tử La  Đã khảo ảnh hƣởng nhiệt độ lên số mạng hệ mẫu La1-yCeyFe11,44Si1,56 với y = 0,1 0,3 Kết cho thấy hai mẫu xuất chuyển pha cấu trúc nhiệt độ chuyển pha Curie  Tính chất từ hợp chất La1-yCeyFe11,44Si1,56 đƣợc khảo sát Các hợp chất chất sắt từ dƣới nhiệt độ chuyển pha Curie TC Nhiệt độ chuyển pha Curie TC mômen từ bão hòa Ms giảm tăng nồng độ Ce Chuyển pha từ giả bền đƣợc quan sát thấy hợp chất La0,7Ce0,3Fe11,44Si1,56 nhiệt độ TC = 183 K thông qua đƣờng cong Arrott plots Kết mở hƣớng nghiên cứu hiệu ứng từ nhiệt hợp chất TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Đỗ Thị Kim Anh, Nguyễn Phú Thùy (2001), “Cấu trúc tinh thể hiệu ứng từ nhiệt hệ vật liệu có chuyển pha từ giả bền”, Hội nghị khoa học nữ lần thứ 6, NXB ĐHQG Hà Nội, tr 2-5 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 Phạm Hồng Quang (2007), Các phép đo từ, NXB ĐHQG Hà Nội Nguyễn Phú Thùy (2003), Vật lý tượng từ, NXB ĐHQG Hà Nội Lại Thị Thanh Thủy (2013), Nghiên cứu cấu trúc tinh thể số tính chất vật lý hệ vật liệu La(Fe,Si)13 thay phần La nguyên tố đất Ce, Ho, Tb, Yb, Luận văn thạc sĩ, trƣờng Đại học Khoa Học Tự Nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội Lê Văn Vũ (2004), Giáo trình cấu trúc phân tích cấu trúc vật liệu, NXB ĐHQG Hà Nội Tiếng Anh A Fujita, S Fujieda, K Fukamichi (2007), “Relative cooling power of La(FexSi1-x)13 after controlling the Curie temperature by hydrogenation and partial substitution of Ce”, Journal of Magnetism and Magnetic Material, 310, pp e1006-e1007 B G Shen, J R Sun, F X Hu, H W Zhang, and Z H Cheng (2010), “Recent progress in exploring magnetocaloric materials”, Advanced Materials, 21, pp 4545-4564 10 E Bruck (2005), “Developments in magnetocaloric refrigeration, Journal of Physics D”: Applied Physics, 38(23), pp R381 11 FU Bin, LONG Yi, SHI Puji, BAO Bo, ZHANG Min, CHANG Yongqin, YE Rongchang (2010), “Effect of praseodymium and cobalt substitution on magnetic properties and structures in La(Fe1-xSix)13 compounds”, Journal of Rare Earths, pp 611-613 12 F X Hu (2002), Magnetic properties and magnetic entropy change of Fe5 based La(FeM)13 compounds and Ni-Mn-Ga alloys, Ph D thesis, Institute of Physics, Chinese academy of Sciences 13 Hong Chang, Nanxian Chen, Jingkui Liang and Guanghui Rao (2003), “Theoretical study of phase forming of NaZn13-type rare-earth intermetallics”, Journal of Physics: Condensed Matter, 15(2), pp.109-120 14 Hu F., Sun B.S.J., Wang G and Cheng Z (2001), “Very large magnetic entropy change near room temperature in LaFe11.2Co0.7Si1.1”, Applied Physics Letters, 80(5), pp 826-828 15 Hu., Shen B G., Sun J R., Cheng Z H., Zhang X X (2000), “Large magnetic entropy change in La(Fe1-xCox)11.83Al.17”, Journal of Physics: Condensed Matter, 12, pp 35-46 16 Institute for Superconducting and Electronic Materials (2012), Universty of Wolongong, Tuning Phase Transition and Magnetocaloric Properties of Novel Materials for Magnetic Refrigeration, Precious Shamba, BSc (Hons), MSc 17 J.L Zhao, J Shen, H Zhang, Z.Y Xu, J.F Wu, F.X Hu, J.R Sun, B.G Shen (2012), “Hydrogenating process and magnetocaloric effect in La0.7Pr0.3Fe11.5Si1.5C0.2Hx hydrides”, Journal of Alloys and Compounds, 520, pp 277-280 18 Kaku Irisawa, Asaya Fujita, Kazuaki Fukamichi (2000), “Magnetic phase diagram of La(FexAl1-x)13 in the vicinity of the ferromagnetic – antiferromagnetic phase boundary”, Journal of Alloys and Compounds, 305, pp 17-20 19 Karl G Sandeman (2012), “Magnetocaloric materials: The search for new systems”, Magnetic Material for Energy, 67(51), pp 566-571 20 Liu M., Yu B F (2009), “Development of magnetocaloric materials in room temperature magnetic refrigeration application in recent six years”, Journal of Central South University of Technology, 16, pp 1-12 21 M.F Md Din, J.L Wang, R Zeng, P Shamba, J.C Debnath, S.X Dou (2013), “Effects of Cu substitution on structural and magnetic properties of La0.7Pr0.3Fe11.4Si1.6 compounds”, Intermetallics, 36, pp 1-7 22 M Q Huang, W E Walaca, and M E McHenry, (1998) “Soft magnetic properties of LaCo13 and La(Co,Fe)13 alloys”, Journal of Applied Physics, 83( II), pp 23-39 23 Palstra T T M, Nieuwenhuys G J, Mydosh J A and Buschow K H (1985),“ Rare earth transition - metal intermetallics: Structure – bonding - property relationships”, Retrospective thesis and dissertations pp 1260 24 S Mican, R Tetean (2012), “Magnetic properties and magnetocaloric effect in La0.7Nd0.3Fe13-xSix compounds”, Journal of Solid State Chemistry, 187, pp 238-243 25 V.K Pecharsky, K.A Gschneidner Jr (1999), Magnetocaloric effect from indirect measurements: Magnetization and heat capacity, Journal of Applied Physics, 86, pp 565 26 Yan A., Muller K.H., Gutflesch O., (2008), “Magnetocaloric effect in LaFe 11.2xCoxSi1.8 melt-spun ribbons”, Journal of Alloys and Compounds, 450, pp 18- 21 [...]... Hà Nội, tr 2-5 2 Nguyễn Hữu Đức (2003), Vật liệu từ liên kim loại, NXB ĐHQG Hà Nội 3 Nguyễn Hữu Đức (2003), Vật lý chuyển pha, NXB ĐHQG Hà Nội 4 Phạm Hồng Quang (2007), Các phép đo từ, NXB ĐHQG Hà Nội 5 Nguyễn Phú Thùy (2003), Vật lý các hiện tượng từ, NXB ĐHQG Hà Nội 6 Lại Thị Thanh Thủy (2013), Nghiên cứu cấu trúc tinh thể và một số tính chất vật lý của hệ vật liệu La(Fe,Si)13 khi thay thế một phần... La  Đã khảo ảnh hƣởng của nhiệt độ lên hằng số mạng trên hệ mẫu La1- yCeyFe11,44Si1,56 với y = 0,1 và 0,3 Kết quả cho thấy cả hai mẫu đều xuất hiện chuyển pha cấu trúc ở nhiệt độ chuyển pha Curie  Tính chất từ của các hợp chất La1- yCeyFe11,44Si1,56 cũng đã đƣợc khảo sát Các hợp chất đều là chất sắt từ ở dƣới nhiệt độ chuyển pha Curie TC Nhiệt độ chuyển pha Curie TC và mômen từ bão hòa Ms đều giảm... Ce Chuyển pha từ giả bền đã đƣợc quan sát thấy trong hợp chất La0,7Ce0,3Fe11,44Si1,56 ở trên nhiệt độ TC = 183 K thông qua các đƣờng cong Arrott plots Kết quả này mở ra một hƣớng nghiên cứu tiếp theo về hiệu ứng từ nhiệt trong hợp chất này 4 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1 Đỗ Thị Kim Anh, Nguyễn Phú Thùy (2001), Cấu trúc tinh thể và hiệu ứng từ nhiệt trong hệ vật liệu có chuyển pha từ giả bền”, Hội... văn ở Bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp, tôi đã thu đƣợc một số kết quả nhƣ sau:  Đã chế tạo thành công hệ mẫu La1- yCeyFe11.44Si1,56 với y = 0,1; 0,2; 0,3 Nhiễu xạ bột tia X đã chỉ ra các mẫu đơn pha với cấu trúc tứ diện loại NaZn13 thuộc nhóm không gian I4/mm Hằng số mạng và kích thƣớc hạt đều giảm khi tăng nồng độ Ce Điều này đƣợc giải thích là do bán kính của nguyên tử Ce nhỏ hơn bán kính của nguyên tử... La(Fe,Si)13 khi thay thế một phần La bằng các nguyên tố đất hiếm Ce, Ho, Tb, Yb, Luận văn thạc sĩ, trƣờng Đại học Khoa Học Tự Nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội 7 Lê Văn Vũ (2004), Giáo trình cấu trúc và phân tích cấu trúc vật liệu, NXB ĐHQG Hà Nội Tiếng Anh 8 A Fujita, S Fujieda, K Fukamichi (2007), “Relative cooling power of La(FexSi1-x)13 after controlling the Curie temperature by hydrogenation and partial