(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu cấu trúc và một số tính chất vật lý của vật liệu r 2 in (r,ho, tb)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Thị Ngọc Quỳnh NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA VẬT LIỆU R2In (R = Ho, Tb) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Thị Ngọc Quỳnh NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA VẬT LIỆU R2In (R = Ho, Tb) Chuyên ngành: Vật lý Nhiệt Mã số: LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS ĐỖ THỊ KIM ANH Hà Nội – Năm 2014 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin gửi cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Đỗ Thị Kim Anh, ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn hồn thành luận văn Cơ tận tình bảo, hƣớng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện cho suốt thời gian học tập nhƣ q trình làm luận văn Tơi xin cảm ơn thầy cô Khoa Vật lý – Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, đặc biệt môn Vật lý Nhiệt độ thấp Ở nơi đây, đƣợc truyền đạt kiến thức vô quý báu, tạo tiền đề cho làm luận văn Và lời cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè ln ủng hộ, động viên suốt thời gian vừa qua Hà Nội, ngày tháng năm 2014 Nguyễn Thị Ngọc Quỳnh MỤC LỤC Trang DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ MỞ ĐẦU Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1 Cấu trúc tinh thể hợp chất R2In 1.2 Tính chất từ hợp chất R2In 1.3 Cấu trúc từ hợp chất R2In Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Vật liệu từ 2.2 Hiệu ứng trƣờng tinh thể [1] 10 2.3 Hiệu ứng từ nhiệt [5] 15 Chƣơng 3: CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 19 3.1 Chuẩn bị mẫu 19 3.2 Các phép đo 22 3.2.1 Phép đo nhiễu xạ bột tia X 22 3.2.2 Phép đo nhiễu xạ bột nơtron 23 3.2.3 Phép đo từ độ [4] 24 3.2.4 Phép đo nhiệt dung 27 Chƣơng 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 28 4.1 Tính chất từ hệ mẫu R2In (R = Ho, Tb) 28 4.2 Nhiệt dung hệ mẫu R2In (R = Ho, Tb) 33 4.3 Cấu trúc tinh thể hệ mẫu R2In (R = Ho, Tb) 35 4.3.1 Cấu trúc tinh thể hợp chất Ho2In 36 4.3.2 Cấu trúc tinh thể hợp chất Tb2In 37 4.4 Cấu trúc từ hệ hợp chất R2In (R = Ho, Tb) 38 4.4.1 Cấu trúc từ hợp chất Ho2In 38 4.4.2 Nhiễu xạ nơtron hợp chất Tb2In 41 KẾT LUẬN 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ Trang Bảng 1: Một số thông số nhiệt độ chuyển pha Curie hiệu ứng từ nhiệt hợp chất R2In (với R = Dy, Er, Tb Ho) Bảng 2: Một số thơng số từ tính hợp chất Ho2In 30 Hình 1.1: Ơ sở hợp chất R2In Hình 2.1: a) Sự xếp mômen từ nguyên tử vật liệu thuận từ b) Đường cong từ hóa vật liệu thuận từ c) Sự phụ thuộc vào nhiệt độ nghịch đảo độ cảm từ 1/ vật liệu thuận từ Hình 2.2: a) Sự xếp mômen từ vật liệu phản sắt từ T < TN khơng có từ trường ngồi b) Sự phụ thuộc nhiệt độ nghịch đảo độ cảm từ 1/ vật liệu phản sắt từ Hình 2.3: a) Sự xếp mômen từ vật liệu sắt từ T < TC b) Sự phụ thuộc nhiệt độ từ độ bão hòa MS nghịch đảo độ cảm từ 1/ vật liệu sắt từ Hình 2.4: Mô tả chế hiệu ứng từ nhiệt 16 Hình 2.5: Cách xác định ∆Tad ∆Smag từ đồ thị biến thiên entropy theo nhiệt độ điều kiện từ trường H=0 H 18 Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý Hệ nấu mẫu phương pháp nóng chảy hồ quang Bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp 19 Hình 3.2: Minh họa vùng hồ quang 20 Hình 3.3: Sơ đồ mơ tả ngun lý hoạt động phương pháp nhiễu xạ tia X 23 Hình 3.4: Mặt cắt buồng mẫu đo nhiễu xạ nơtron 24 Hình 3.5: Sơ đồ hệ đo từ độ 25 Hình 3.6: Hình dạng xung tín hiệu 26 Hình 4.1: Sự phụ thuộc nhiệt độ từ độ nghịch đảo độ cảm từ hợp chất Ho2In từ trường H = 1,0 kOe 28 Hình 4.2: Sự phụ thuộc nhiệt độ từ độ nghịch đảo độ cảm từ hợp chất Ho2In từ trường H = 0,1 kOe 29 Hình 4.3: Các đường cong từ hóa đẳng nhiệt mẫu Ho2In 31 Hình 4.4: Sự phụ thuộc từ độ bão hòa vào nhiệt độ mẫu Ho2In 31 Hình 4.5: Sự phụ thuộc từ độ vào nhiệt độ hợp chất Tb2In từ trường H = 0,1 kOe [18] 33 Hình 4.6: Sự phụ thuộc nhiệt dung vào nhiệt độ hợp chất Ho2In 34 Hình 4.7: Sự phụ thuộc nhiệt dung vào nhiệt độ hợp chất Tb2In 35 Hình 4.8: Nhiễu xạ bột tia X hợp chất Ho2In 36 Hình 4.9: Nhiễu xạ tia X hợp chất Tb2In [18] 37 Hình 4.10: Nhiễu xạ nơtron hợp chất Ho2In trạng thái thuận từ 170 K 38 Hình 4.11: Nhiễu xạ nơtron hợp chất Ho2In nhiệt độ K Error! Bookmark not defined Hình 4.12: Nhiễu xạ nơtron hợp chất Ho2In thu 45 K 40 Hình 4.13: Sự phụ thuộc vào nhiệt độ thể tích sở 42 Hình 4.14: Hình ảnh phổ nhiễu xạ nơtron hợp chất Tb2In 250 K (a) 80 K (b) 42 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Ngọc Quỳnh MỞ ĐẦU Trong thập kỷ gần đây, có bùng nổ nghiên cứu liên quan đến vật liệu làm lạnh từ, mà chủ yếu phát hiệu ứng từ nhiệt khổng lồ (MCE) hợp chất Gd5Ge2Si2 vào năm 1997 Từ đó, hiệu ứng MCE đƣợc nghiên cứu cho số kim loại vô ôxit khác, bao gồm liên kim loại-đất hiếm, hợp kim kim loại chuyển tiếp, ôxit mangan perovskite, hợp kim sắt từ (FM) có hiệu ứng nhớ hình v.v Khi nghiên cứu tính chất từ hợp chất R2In cho thấy chúng vật liệu thích hợp cho ứng dụng làm lạnh từ dựa vào hiệu ứng từ nhiệt (MCE) Để làm lạnh từ điều quan trọng vật liệu từ tồn biến thiên entropy từ lớn ( ) Một thông số quan trọng công suất làm lạnh tƣơng đối (RCP) Hiệu ứng từ nhiệt khổng lồ (giant MCE) liên quan chặt chẽ với chuyển pha từ loại (FOMT), điều đƣợc quan sát thấy hệ vật liệu khác Quá trình chuyển pha loại thƣờng tạo nhiệt, từ tính bất thuận nghịch đáng kể tiêu thụ công suất làm lạnh tƣơng đối (RCP) vật liệu từ lạnh hạn chế ứng dụng thực tế chúng Nhƣ vậy, cần tìm kiếm vật liệu làm lạnh từ với MCE nghịch đảo lớn dựa trình chuyển pha từ loại hai (SOMT) Hơn nữa, ứng dụng thiết bị làm lạnh từ, cần thu đƣợc MCE lớn dải nhiệt độ rộng, tức nửa độ rộng cực đại ( TFWHM) đƣờng cong T) Vì vậy, điều quan trọng nghiên cứu vật liệu SOMT với biến thiên entropy từ lớn đồng thời giá trị công suất làm lạnh (RC) nửa độ rộng cực đại ( TFWHM) lớn Tuy nhiên, tính chất từ hợp chất R2In chƣa đƣợc nghiên cứu cách chi tiết vùng nhiệt độ thấp Do đó, luận văn chúng tơi đề cập đến số tính chất vật lý nhƣ cấu trúc từ hợp chất R2In Nội dung luận văn bao gồm phần sau: Ngành Vật lýNhiệt Khóa 2010-2012 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Ngọc Quỳnh Mở đầu Chƣơng 1: Tổng quan Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết Chƣơng 3: Các phƣơng pháp thực nghiệm Chƣơng 4: Kết thảo luận Kết luận Ngành Vật lýNhiệt Khóa 2010-2012 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Ngọc Quỳnh Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1 Cấu trúc tinh thể hợp chất R2In Các hợp chất R2In, R kim loại đất hiếm, đƣợc kết tinh cấu trúc lục giác loại Ni2In thuộc khơng gian nhóm P63/mmc [11] Trong sở có hai đơn vị cơng thức, nguyên tử đất nằm hai vị trí khác nhau: vị trí 2a vị trí 2d (Hình 1.1), vị trí 2a (trên cạnh sở) nguyên tử đất đƣợc bao quanh nguyên tử đất lân cận gần Ở vị trí 2d (nằm sở), nguyên tử đất có nguyên tử In lân cận gần Các nguyên tử In nằm vị trí 2c (tâm lăng trụ tam giác), bao quanh ion R3+ lân cận gần Tất vị trí nguyên tử In tƣơng đƣơng mặt cấu trúc Hình 1.1: Ơ sở hợp chất R2In Ngành Vật lýNhiệt Khóa 2010-2012 ... 4.3.1 Cấu trúc tinh thể hợp chất Ho 2In 36 4.3 .2 Cấu trúc tinh thể hợp chất Tb 2In 37 4.4 Cấu trúc từ hệ hợp chất R2 In (R = Ho, Tb) 38 4.4.1 Cấu trúc từ hợp chất Ho 2In ... 1.1 Cấu trúc tinh thể hợp chất R2 In 1 .2 Tính chất từ hợp chất R2 In 1.3 Cấu trúc từ hợp chất R2 In Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. 1 Vật liệu từ ... NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Thị Ngọc Quỳnh NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA VẬT LIỆU R2 In (R = Ho, Tb) Chuyên ngành: Vật lý Nhiệt Mã số: LUẬN VĂN THẠC