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 tơi suốt q trình nghiên cứu thực luận văn Để đạt đƣợc thành công học tập hồn thành khóa học nhƣ ngày nay, tơi 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 u 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 hơm 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: Mơmen 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 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ii MỤC LỤC iii DANH MỤC BẢNG BIỂU v DANH MỤC HÌNH VẼ .vi MỞ ĐẦU Chƣơng I TỔNG QUAN VỀ HỆ VẬT LIỆU CÓ CẤU TRÚC LOẠI NaZn13 .3 1.1 Cấu trúc tinh thể hệ vật liệu có cấu trúc loại NaZn13 1.2 Tính chất từ hệ vật liệu có cấu trúc loại NaZn13 1.2.1 Tính chất từ hợp chất LaCo13 1.2.2 Tính chất từ hợp chất LaFe13-xMx 1.3 Hiệu ứng từ nhiệt hợp chất có cấu trúc loại NaZn13 Chƣơng II CƠ SỞ LÝ THUYẾT .9 2.1 Nguồn gốc từ tính vật liệu 2.1.1 Cấu hình điện tử nguyên tử 2.1.2 Mômen từ nguyên tử 10 2.2 Tƣơng tác vật liệu từ liên kim loại 14 2.2.1 Tƣơng tác trao đổi 14 2.2.2 Tƣơng tác T-T kim loại chuyển tiếp 15 2.2.3 Tƣơng tác trao đổi R-R 17 2.2.4 Tƣơng tác từ vật liệu liên kim loại đất hiếm-kim loại chuyển tiếp 20 2.3 Chuyển pha từ giả bền 21 Chƣơng III PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM .25 3.1 Chế tạo mẫu 25 3.1.1 Phƣơng pháp nóng chảy hồ quang 25 3.1.2 Quy trình nấu mẫu 27 3.1.3 Ủ nhiệt 27 Chƣơng IV KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 32 4.1 Cấu trúc tinh thể hệ hợp chất La1-yCeyFe11,44Si1,56 32 iii 4.2 Tính chất từ hệ hợp chất La1-yCeyFe11,44Si1,56 40 KẾT LUẬN .47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 iv DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Hiệu ứng từ nhiệt số hợp chất có cấu trúc loại NaZn13 Bảng 4.1: Hằng số mạng hợp chất La0,9Ce0,1Fe11,44Si1,56 nhiệt độ khác 37 Bảng 4.2: Hằng số mạng hợp chất La0,7Ce0,3Fe11,44Si1,56 nhiệt độ khác 37 Bảng 4.3 Nhiệt độ chuyển pha TC mơmen từ bão hòa Ms hệ hợp chất La1-yCeyFe11,44Si1,56 ….………………………………………………………… 50 v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1 Quĩ đạo chuyển động điện tử xung quanh hạt nhân 10 Hình 2.2: Chuyển động quay xuất mômen từ spin điện tử 12 Hình 2.3: Các kiểu tƣơng tác vật liệu sắt từ 15 Hình 2.4: Phân bố khơng gian điện tử nguyên tử đất 17 Hình 2.5: (a) Sự xếp mơmen từ vật liệu từ giả bền: dƣới tác dụng từ trƣờng đủ mạnh vật liệu chuyển từ trạng thái thuận từ sang trạng thái sắt từ (b) Đƣờng cong từ hóa vật liệu từ giả bền 22 Hình 2.6: Đồ thị biển diễn phụ thuộc lƣợng tự vào từ độ 23 Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý hệ nấu mẫu phƣơng pháp nóng chảy hồ quang Bộ mơn Vật lý Nhiệt độ thấp 25 Hình 3.2: Minh họa vùng hồ quang 26 Hình 3.3: Sơ đồ mơ tả ngun lý hoạt động phƣơng pháp nhiễu xạ tia X 28 Hình 3.4: a) Sơ đồ buồng mẫu thiết bị đo hệ số cảm từ SQUID b) Cuộn dây đo độ cảm xoay chiều c) Sơ đồ buồng đo từ kế SQUID 31 Hình 4.1 Giản đồ nhiễu xạ bột tia X hợp chất La1-yCeyFe11,44Si1,56 với y = 0,1; 0,2 0,3 nhiệt độ phòng 32 Hình 4.2 Sự phụ thuộc số mạng vào nồng độ thay Ce cho La hệ hợp chất La1-yCeyFe11,44Si1,56 33 Hình 4.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X hợp chất La0,9Ce0,1Fe11,44Si1,56 vài nhiệt độ khác 34 Hình 4.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X hợp chất La0,7Ce0,3Fe11,44Si1,56 vài nhiệt độ khác 35 Hình 4.5 Sự dịch chuyển đỉnh nhiễu xạ (422) theo nhiệt độ hợp chất (a) La0,9Ce0,1Fe11,44Si1,56 (b) La0,7Ce0,3Fe11,44Si1,56 36 Hình 4.6 Sự phụ thuộc số mạng (a) a = b (b) c vào nhiệt độ hợp chất La0,9Ce0,1Fe11,44Si1,56 38 vi Hình 4.7 Sự phụ thuộc số mạng (a) a = b (b) c vào nhiệt độ hợp chất La0,7Ce0,3Fe11,44Si1,56 39 Hình 4.8 Sự phụ thuộc cƣờng độ nhiễu xạ theo nhiệt độ ứng với pha LaFeSi góc 2 = 43,23º hợp chất La1-yCeyFe11,44Si1,56 với y = 0,1 y = 0,3 40 Hình 4.9: Sự phụ thuộc từ độ vào nhiệt độ hợp chất La0,9Ce0,1Fe11,44Si1,56 từ trƣờng H = 100 Oe 41 Hình 4.10 Sự phụ thuộc từ độ vào nhiệt độ hợp chất La0,8Ce0,2Fe11,44Si1,56 từ trƣờng H = 100 Oe 42 Hình 4.11 Sự phụ thuộc từ độ vào nhiệt độ hợp chất La0,7Ce0,3Fe11,44Si1,56 từ trƣờng H = 100 Oe 42 Hình 4.12 Sự phụ thuộc nhiệt độ TC vào nồng độ Ce (y) hợp chất La1yCeyFe11,44Si1,56…………………………………………………………………… 43 Hình 4.13: Các đƣờng cong từ hóa hệ hợp chất La1-yCeyFe11,44Si1,56 nhiệt độ T = 1,8 K 44 Hình 4.14: (a) Đƣờng cong từ hóa đẳng nhiệt (b) đƣờng Arrott plots hợp chất La0,8Ce0,2Fe11,44Si0,56 nhiệt độ khác 45 vii Khi nhiệt độ tiếp tục tăng đỉnh nhiễu xạ gần nhƣ khơng thay đổi góc 2 đến 295 K có dịch nhỏ phía góc 2 nhỏ Sự dịch đỉnh nhiễu xạ theo góc 2 theo nhiệt độ dẫn đến số mạng hợp chất thay đổi theo nhiệt độ 14000 9000 422 422 100 K 160 K 185 K 190 K 195 K 210 K 240 K 295 K 422 6000 422 5000 422 4000 422 3000 10000 422 8000 422 422 6000 422 4000 422 422 2000 1000 100 K 140 K 160 K 170 K 180 K 190 K 220 K 250 K 295 K 422 C-êng ®é nhiƠu xạ (a.u) 7000 C-ờng độ nhiễu xạ (a.u) 422 12000 8000 422 2000 422 422 0 38.10 38.15 38.20 38.25 38.30 38.35 38.40 38.45 38.50 38.20 2 (®é) 38.25 38.30 38.35 38.40 38.45 38.50 38.55 38.60 2 (®é) (a) (b) Hình 4.5 Sự dịch chuyển đỉnh nhiễu xạ (422) theo nhiệt độ hợp chất (a) La0,9Ce0,1Fe11,44Si1,56 (b) La0,7Ce0,3Fe11,44Si1,56 Tƣơng tự, chúng tơi tìm thấy dịch đỉnh rõ nét hợp chất La0,7Ce0,3Fe11,44Si1,56 hình 4.5b Khi nhiệt độ tăng đến nhiệt độ T = 180 K đỉnh nhiễu xạ (422) đột ngột dịch phía góc 2 lớn, sau có dịch nhỏ phía góc 2 nhiệt độ tăng đến 295 K Trong khoảng nhiệt độ từ 100 K đến 170 K đỉnh nhiễu xạ gần nhƣ không thay đổi Nhƣ vậy, thay đổi nhiệt độ đỉnh (hkl) có dịch theo góc 2 làm cho số mạng hợp chất thay đổi theo nhiệt độ Dựa vào công thức (3.4), tính tốn số mạng nhiệt độ khác hai hợp chất La0,9Ce0,1Fe11,44Si1,56 La0,7Ce0,3Fe11,44Si1,56 Kết cho thấy nhiệt độ thay đổi hai hợp chất giữ nguyên cấu trúc tứ diện nhiên độ lớn số mạng a c thay đổi Các giá trị a c đƣợc ghi lại bảng 4.1 4.2 hợp chất La0,9Ce0,1Fe11,44Si1,56 La0,7Ce0,3Fe11,44Si1,56 tƣơng ứng Trong hợp chất La0,9Ce0,1Fe11,44Si1,56 số mạng a nhiệt độ phòng giảm so với nhiệt độ thấp cỡ 0,36 % c 1,21 % Sự thay đổi số 36 mạng hợp chất La0,7Ce0,3Fe11,44Si1,56 0,33 % a 0,85 % c Nhƣ vậy, thay đổi c theo nhiệt độ rõ Bảng 4.1: Hằng số mạng hợp chất La0,9Ce0,1Fe11,44Si1,56 nhiệt độ khác T (K) a = b (Å) c (Å) 295 11,499 ± 0,022 11,199 ± 0,017 240 11,497 ± 0,024 11,202 ± 0,024 210 11,498 ± 0,024 11,241 ± 0,028 195 11,508 ± 0,032 11,082 ± 0,021 190 11,542± 0,021 10,753 ± 0,031 185 11,545 ± 0,024 11,194 ± 0,019 160 11,542 ± 0,020 11,346 ± 0,023 100 11,541 ± 0,019 11,336 ± 0,025 Bảng 4.2: Hằng số mạng hợp chất La0,7Ce0,3Fe11,44Si1,56 nhiệt độ khác T (K) a = b (Å) c (Å) 295 11,489 ± 0,016 11,309 ± 0,016 250 11,479 ± 0,016 11,278 ± 0,185 220 11,474 ± 0,017 11,285 ± 0,172 190 11,464 ± 0,011 11,337 ± 0,118 180 11,461 ± 0,013 11,331 ± 0,111 170 11,523 ± 0,011 11,394 ± 0,114 160 11,524 ± 0,011 11,377 ± 0,119 140 11,523 ± 0,011 11,156 ± 0,406 100 11,527 ± 0,009 11,406 ± 0,098 37 Từ bảng kết trên, vẽ đồ thị biểu diễn phụ thuộc số mạng vào nhiệt độ hợp chất La0,9Ce0,1Fe11,44Si1,56 La0,7Ce0,3Fe11,44Si1,56 nhƣ hình 4.6 4.7 Trên hình 4.6a, ta thấy nhiệt độ tăng từ 100 K đến 190 K số mạng a hợp chất La0,9Ce0,1Fe11,44Si1,56 tăng nhẹ gần nhƣ không đổi, T = 195 K số mạng hợp chất giảm đột ngột cỡ 0,36% (đồ thị bƣớc nhảy rõ nét 195 K mà phần sau nghiên cứu tính chất từ hợp chất nhiệt độ chuyển pha Curie); khoảng nhiệt độ 210 ÷ 295 K số mạng a hợp chất gần nhƣ không đổi Với số mạng c đồ thị hình 4.6b cho thấy nhiệt độ tăng từ 100 K đến 190 K số mạng c giảm, từ 190 K đến 300 K số mạng lại tăng tạo thành đỉnh cực tiểu T = 190 K 11.55 11.4 La0,9Ce0,1Fe11,44Si1,56 H»ng sè a = b sè m¹ng Ao 11.53 11.52 H»ng sè m¹ng Ao 11.54 H»ng La0,9Ce0,1Fe11,44Si1,56 H»ng sè c 11.3 11.2 11.1 11.0 11.51 10.9 11.50 10.8 (a) 11.49 100 150 200 250 10.7 100 300 NhiƯt ®é T(K) (b) 150 200 250 300 NhiƯt ®é T(K) Hình 4.6 Sự phụ thuộc số mạng (a) a = b (b) c vào nhiệt độ hợp chất La0,9Ce0,1Fe11,44Si1,56 Nhƣ vậy, hai số mạng a c xuất dị thƣờng khoảng nhiệt độ 185 ÷ 190 K, dự đốn hợp chất La0,9Ce0,1Fe11,44Si1,56 có chuyển pha cấu trúc khoảng nhiệt độ 38 Kết hồn tồn tƣơng tự đƣợc tìm thấy hợp chất La0,7Ce0,3Fe11,44Si1,56 (Hình 4.7a) Sự thay đổi số mạng a theo nhiệt độ trở nên rõ nét so với a hợp chất La0,9Ce0,1Fe11,44Si1,56 xảy khoảng nhiệt độ 170 ÷ 180 K Tuy nhiên, số mạng c phụ thuộc vào nhiệt độ không rõ ràng nhƣ hợp chất La0,9Ce0,1Fe11,44Si1,56 nhƣng có cực tiểu nhiệt độ T = 140 K Trong khoảng nhiệt độ 170 ÷ 180 K hợp chất La0,7Ce0,3Fe11,44Si1,5 dự đốn có chuyển pha cấu trúc Điều đƣợc làm rõ nghiên cứu tính chất từ hệ hợp chất 11.45 La0,7Ce0,3Fe11,44Si1,56 H»ng sè m¹ng a = b 11.53 La0,7Ce0,3Fe11,44Si1,56 H»ng sè m¹ng c 11.40 11.52 11.35 sè m¹ng Ao 11.50 H»ng H»ng sè m¹ng Ao 11.51 11.49 11.30 11.25 11.20 11.48 (a) 11.47 100 (b) 11.15 150 200 250 300 100 NhiƯt ®é T(K) 150 200 250 300 NhiƯt ®é T(K) Hình 4.7 Sự phụ thuộc số mạng (a) a = b (b) c vào nhiệt độ hợp chất La0,7Ce0,3Fe11,44Si1,56 Trên giản đồ nhiễu xạ tia X hình 4.3 4.4, hai hợp chất thấy xuất lƣợng nhỏ pha LaFeSi góc 2 = 43,23 Khi nhiệt độ thay đổi cƣờng độ nhiễu xạ pha LaFeSi thay đổi khảo sát phụ thuộc cƣờng độ nhiễu xạ vào nhiệt độ hệ hợp chất La1-yCeyFe11,44Si1,56 (với y = 0,1 0,3) góc 2 = 43,23 pha lạ LaFeSi có phù hợp ngẫu nhiên vùng nhiệt độ đƣợc cho chuyển pha cấu trúc đƣợc hình 4.8 39 Với thành phần y = 0,1 kết cho thấy nhiệt độ tăng cƣờng độ nhiễu xạ giảm, nhiên có đột biến T = 185 K Còn mẫu x = 0,3 cho thấy nhiệt độ tăng từ 100 K đến 180 K cƣờng độ nhiễu xạ giảm đột ngột tăng T = 190 K, sau cƣờng độ lại giảm dần gần nhƣ khơng đổi đến nhiệt độ phòng Sự biến đổi cƣờng độ nhiễu xạ mẫu y = 0,3 theo tăng nhiệt độ tạo thành cực trị T = 190 K Bƣớc nhảy cƣờng độ nhiễu xạ hợp chất y = 0,3 hoàn toàn giống với bƣớc nhảy số mạng a theo nhiệt độ nhƣng theo chiều ngƣợc lại 10 10 La0,9Ce0,1Fe11,44Si1,56 200 C-êng ®é nhiƠu x¹ (a.u) La0,7Ce0,3Fe11,44Si1,56 180 160 140 120 100 80 100 150 200 250 300 NhiƯt ®é T(K) Hình 4.8 Sự phụ thuộc cường độ nhiễu xạ theo nhiệt độ ứng với pha LaFeSi góc 2 = 43,23º hợp chất La1-yCeyFe11,44Si1,56 với y = 0,1 y = 0,3 Cấu trúc pha LaFeSi có dạng lập phƣơng Khi nhiệt độ thay đổi số mạng cấu trúc không thay đổi (mặt hkl khơng bị dịch theo góc 2) Cƣờng độ nhiễu xạ thay đổi ảnh hƣởng nhiệt độ lên dao động mạng cấu trúc làm cho thừa số nhiệt thay đổi, cụ thể nhiệt độ tăng thừa số 40 nhiệt giảm dẫn đến cƣờng độ nhiễu xạ giảm 4.2 Tính chất từ hệ hợp chất La1-yCeyFe11,44Si1,56 Tính chất từ hệ hợp chất La1-yCeyFe11,44Si1,56 với y = 0,1; 0,2; 0,3 đƣợc xác định thông qua phép đo: phụ thuộc từ độ vào nhiệt độ phụ thuộc từ độ vào từ trƣờng Khi đo phụ thuộc từ độ vào nhiệt độ tất hợp chất kết cho thấy hợp chất tồn chuyển pha từ trạng thái sắt từ sang trạng thái thuận từ nhiệt độ chuyển pha Curie TC Để nghiên cứu ảnh hƣởng thay La phần nguyên tố Ce lên nhiệt độ chuyển pha TC, tiến hành đo phụ thuộc từ độ vào nhiệt độ M (T) từ trƣờng H = 100 Oe hệ hợp chất La1-yCeyFe11,44Si1,56 nhƣ hình 4.9, 4.10 4.11 4.5 La0,9Ce0,1Fe11,44Si1,56 4.0 H = 100 Oe 3.0 Tõ ®é (emu) Từ độ M (emu/g) 3.5 2.5 2.0 1.5 1.0 Tc = 193 K 0.5 0.0 50 100 150 200 250 300 NhiƯt ®é Tc Nhiệt độ T (K) Hình 4.9: Sự phụ thuộc từ độ vào nhiệt độ hợp chất La0,9Ce0,1Fe11,44Si1,56 từ sstrường H = 100 Oe Trên ba mẫu xuất chuyển pha rõ nét từ trạng thái sắt từ sang trạng thái thuận từ nhiệt độ chuyển pha Curie, dáng điệu chuyển pha hoàn toàn trùng khớp với kết chuyển pha cấu trúc nhƣ phần Từ đƣờng cong M(T) xác định nhiệt độ chuyển pha Curie TC hợp chất 41 đƣợc ghi lại bảng 4.3 Giá trị nhiệt độ chuyển pha TC giảm tăng nồng độ Ce từ 193 K với y = 0,1 xuống 177 K với y = 0,3 La0,8Ce0,2Fe11,44Si1,56 H = 100 Oe 20 Tõ ®é (emu) Từ độ M (emu/g) 30 10 Tc = 185 K 160 180 200 220 240 260 NhiƯt ®é T(K) Nhiệt độ T (K) Hình 4.10 Sự phụ thuộc từ độ vào nhiệt độ hợp chất La0,8Ce0,2Fe11,44Si1,56 từ trường H = 100 Oe La0,7Ce0,3Fe11,44Si1,56 H = 100 Oe 2.8 2.6 2.2 Tõ ®é (emu) Từ độ M (emu/g) 2.4 2.0 1.8 1.6 1.4 Tc = 177 K 1.2 50 100 150 200 250 300 NhiÖt ®é T(K) Nhiệt độ T (K) Hình 4.11 Sự phụ thuộc từ độ vào nhiệt độ hợp chất La0,7Ce0,3Fe11,44Si1,56 từ trường H = 100 Oe 42 Bảng 4.3 Nhiệt độ chuyển pha TC mômen từ bão hòa Ms hệ hợp chất La1-yCeyFe11,44Si1,56 Nồng độ Ce TC (K) Ms (emu/g) 0,1 193 ± 129 ± 0,2 185 ± 115 ± 0,3 177 ± 124 ± Từ kết bảng 4.3, vẽ đồ thị biểu diển phụ thuộc nhiệt độ chuyển pha Curie vào nồng độ thay Ce nhận thấy phụ thuộc tuyến tính (Hình 4.12) 200 NhiƯt ®é Tc (K) 195 Tc Đ-ờng làm khớp Tc 190 185 180 175 170 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 Nång ®é Ce (y) Hình 4.12 Sự phụ thuộc nhiệt độ TC vào nồng độ Ce hệ hợp chất La1-yCeyFe11,44Si1,56 Sự thay đổi nhiệt độ chuyển pha TC theo nồng độ thay Ce đƣợc giải thích đựa vào tƣơng tác T-T R-R hợp chất đất kim loại chuyển tiếp Nhiệt độ TC chịu ảnh hƣởng nhỏ tƣơng tác R-T thông qua mối liên hệ cƣờng độ tƣơng tác với nhiệt độ TC cho biểu thức (2.47): 43 Giá trị TC chủ yếu tƣơng tác T-T định thông qua mối liên hệ cho biểu thức (2.25): Nhƣ vậy, từ đầu dãy đất hệ số ART tƣơng tác R-T giảm đi, nghĩa ALa-Fe > ACe-Fe nhiệt độ Curie giảm thay La phần Ce Đối với tƣơng tác T-T tăng nồng độ Ce mức độ bất trật tự hợp chất giảm xuống, dẫn đến hệ số trƣờng phân tử nTT giảm nên nhiệt độ TC giảm 140 M«men tõ (emu/g) Từ độ M (emu/g) 120 100 La0,9Ce0,1Fe11,44Si1,56 80 La0,8Ce0,2Fe11,44Si1,56 La0,7Ce0,3Fe11,44Si1,56 60 T = 1,8 K 40 20 0 10 20 30 40 50 60 70 tr-êng H (kOe) TừTõ trƣờng H (kOe) Hình 4.13: Các đường cong từ hóa hệ hợp chất La1-yCeyFe11,44Si1,56 nhiệt độ T = 1,8 K Tiếp theo, nghiên cứu ảnh hƣởng thay phần La Ce lên từ độ bão hòa thơng qua phép đo từ hóa M(H) nhiệt độ thấp Hình 4.13 phụ thuộc từ độ vào từ trƣờng nhiệt độ T = 1,8 K hợp chất với y = 0,1; 0,2; 0,3 Khi từ trƣờng đặt vào 10 kOe từ độ hợp chất đạt tới giá trị bão hòa Giả trị từ độ bão hòa hợp chất 1,8 K đƣợc ghi bảng 4.3 So với hợp chất ban đầu La(Fe0,88Si0,12)13 từ độ bão hòa Ms = 170 (emu/g) [6] từ độ bão hòa hợp chất La1-yCeyFe11,44Si1,56 giảm xuống sau 44 thay La Ce Điều giải thích cấu hình lớp vỏ họ Lantan Họ Lantan bắt đầu nguyên tố La3+ với lớp vỏ 4f hồn tồn trống (4f0), tiếp Ce3+ có điện tử 4f Bán kính ion nguyên tố họ Lantan giảm dần từ đầu dãy đến cuối dãy (bắt đầu từ La 1,11 Å Ce3+ đến 0,94 Å Yb3+) Bán kính lớp vỏ điện tử 4f vào khoảng 0,3 Å Đặc điểm chứng tỏ mức độ định xứ điện tử 4f cao Liên kết spin - quỹ đạo điện tử 4f mạnh làm giảm mômen từ kim loại đất Ce Để khảo sát loại chuyển pha từ hợp chất thực phép đo đƣờng từ hóa đẳng nhiệt hợp chất La0,8Ce0,2Fe11,44Si0,56 Hình 4.14 biểu diễn đƣờng cong từ hóa đẳng nhiệt đƣờng Arrott plots hợp chất La0,8Ce0,2Fe11,44Si0,56 khoảng nhiệt độ từ 181 K đến 240 K 120 181 K 182 K 183 K 184 K 185 K 186 K 190 K 195 K 200 K 210 K 220 K 230 K 240 K 80 60 40 12000 181 K 182 K 183 K 184 K 185 K 186 K 190 K 195 K 200 K 210 K 220 K 230 K 240 k 10000 M2(emu2/g2) Từ độ M (emu/g) M«men tõ M (emu/g) 100 8000 6000 4000 20 2000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.0 Tõ tr-êng H (kOe) 0.5 1.0 1.5 2.0 H/M (kOe.g/emu) a) b) Hình 4.14: (a) Đường cong từ hóa đẳng nhiệt (b) đường Arrott plots hợp chất La0,8Ce0,2Fe11,44Si0,56 nhiệt độ khác Từ hình 4.14a cho thấy đƣờng cong từ hóa đẳng nhiệt đạt tới giá trị bão hòa vùng nhiệt độ dƣới 185 K hình dáng đƣờng khơng thay đổi Tuy nhiên, hình dáng đƣờng từ hóa đẳng nhiệt có thay đổi rõ nét bắt đầu vùng nhiệt độ 185 K ÷ 200 K Các đƣờng từ hóa tuyến tính vùng nhiệt độ T > 200 K Để thấy rõ thay đổi này, vẽ đƣờng Arrott plots hợp 45 chất La0,8Ce0,2Fe11,44Si0,56 (Hình 4.14b) Trong vùng nhiệt độ 184 K ÷ 200 K đƣờng Arrott plots có dạng chữ "S", chứng tỏ vùng nhiệt độ hợp chất xuất chuyển pha từ giả bền (ngay nhiệt độ chuyển pha Curie TC = 185 K) Chuyển pha từ giả bền đóng vai trò quan trọng biến thiên entropy từ Nguồn gốc chuyển pha từ giả bền tách vùng lƣợng điện tử dẫn 3d nguyên tử Fe Dƣới tác dụng từ trƣờng đủ lớn, tách vùng làm cho cực tiểu lƣợng sắt từ nhỏ cực tiểu lƣợng thuận từ Điều đƣa hƣớng nghiên cứu hiệu ứng từ nhiệt họ vật liệu Góp phần tìm kiếm vật liệu từ nhiệt đáp ứng nhu cầu việc làm lạnh từ trƣờng vùng nhiệt độ có khả ứng dụng đƣợc 46 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 khơng 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 mơmen 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 47 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 Fe48 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 49 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 50 ... QUAN VỀ HỆ VẬT LIỆU CÓ CẤU TRÚC LOẠI NaZn13 .3 1.1 Cấu trúc tinh thể hệ vật liệu có cấu trúc loại NaZn13 1.2 Tính chất từ hệ vật liệu có cấu trúc loại NaZn13 1.2.1 Tính chất từ hợp chất. .. 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... QUẢ VÀ THẢO LUẬN 32 4.1 Cấu trúc tinh thể hệ hợp chất La1- yCeyFe11,44Si1,56 32 iii 4.2 Tính chất từ hệ hợp chất La1- yCeyFe11,44Si1,56 40 KẾT LUẬN .47 TÀI LIỆU