무질서한 단결정의 거대하고 고도로 이방성인 자기열량 효과

Mar 26, 2024

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 7105(2023) 이 기사 인용

385 액세스

1 알트메트릭

측정항목 세부정보

자기 이방성은 자기 특성에 영향을 미치기 때문에 자기 기능에 적합한 재료를 검사하는 데 중요합니다. 본 연구에서는 무질서한 페로브스카이트 RCr0.5Fe0.5O3(R = Gd, Er) 단결정을 합성하고 극저온 자기열량 특성에 대한 자기 이방성 및 희토류 모멘트의 추가 정렬의 영향을 조사했습니다. GdCr0.5Fe0.5O3(GCFO)와 ErCr0.5Fe0.5O3(ECFO)는 모두 Cr3+ 및 Fe3+ 이온이 무작위로 분포된 사방정계 Pbnm 구조로 결정화됩니다. GCFO에서 Gd3+ 모멘트의 장거리 순서는 TGd(Gd3+ 모멘트의 순서 온도) = 12K의 온도에서 나타납니다. 0 궤도 각운동량에서 발생하는 큰 Gd3+ 모멘트의 상대적 등방성 특성은 거대하고 사실상 등방성 자기열량 효과를 나타냅니다. (MCE), 최대 자기 엔트로피 변화는 \(\Delta {S}_{M}\) ≒ 50.0 J/kg·K입니다. ECFO에서 높은 이방성 자화는 회전 자기 엔트로피 변화 \(\Delta {S}_{\theta }\) = 20.8 J/kg·K를 특징으로 하는 큰 회전 MCE를 초래합니다. 이러한 결과는 자기 이방성 특성에 대한 자세한 이해가 무질서한 페로브스카이트 산화물의 향상된 기능적 특성을 탐구하는 데 핵심임을 나타냅니다.

청정 기술에서 에너지 효율적인 자기 냉동의 인기가 높아지면서 새로운 자성 재료에 대한 광범위한 연구에 영감을 주어 자기열량 효과(MCE)를 향상시키는 효과적인 기술을 발견했습니다. 자기열량 효과(MCE)는 자성 재료의 온도(T) 변화로 설명됩니다. 자기장(H)1,2,3,4. MCE는 단열 T 변화(\(\Delta {T}_{\mathrm{ad}}\))와 등온 자기 엔트로피 변화(\(\Delta {\mathrm{S}}_{\)로 추정할 수 있습니다. mathrm{M}}\))은 H의 영향을 받습니다. 극저온 자기 냉동은 비용 증가와 대체 연료로 활용되는 수소 가스 액화에도 불구하고 3He/4He 희석 냉동을 대체하여 켈빈 미만의 온도를 얻는 데 중요합니다. 최근 제조 용이성, 화학적 안정성 및 와전류로 인한 냉동 비효율성을 방지하는 다양한 절연 전이 금속 산화물5,6,7에서 대규모 극저온 MCE가 발견되었습니다. MCE의 유익한 측면은 Gd2CoMnO68(\(\Delta {T}_{\mathrm{ad} }\) = 1.3 K(2K에서 ΔH = 0–9 T 및 \(\Delta {T}_{\mathrm{ad}}\) = 8.3 K(ΔH = 0–9 T(17 K)), SrFe0 .5Co0.5O39 (\(\Delta {T}_{\mathrm{ad}}\) = 1.8 K for ΔH = 0–5 T at 330 K), HoMnO310 (\(\Delta {T}_{\mathrm {ad}}\) = 11K에서 ΔH = 0–7 T의 경우 10.8K), CrO211(\(\Delta {T}_{\mathrm{ad}}\) = ΔH = 0–1.5 T의 경우 2.0K 390K에서). 대안으로, 회전형 MCE8,12,13을 개발함으로써 자기 냉각의 타당성을 향상시킬 수 있는데, 이는 냉매를 일정한 H로 회전시켜 달성할 수 있습니다. 이 방법의 장점은 기술적 단순성과 장치 소형화입니다. 그러나 강한 자기 이방성은 냉매 냉각을 구현하는 데 필수적이며, 이는 대칭 및 구조에 따라 달라지는 이방성 스핀-궤도 상호 작용에서 고유한 자기결정 이방성이 발생하는 단결정 자석을 사용하여 달성할 수 있습니다. 극저온 회전 MCE는 TbMnO314와 같은 여러 절연 산화물 자석에서 관찰되었습니다(회전에 의해 얻은 자기 엔트로피 변화, \(\Delta {S}_{\theta }\) = 9.0 J/kg·K for 5 T at 15 K), HoMn2O515 (\(\Delta {S}_{\theta }\) = 10 K에서 7 T에 대해 12.4 J/kg·K), TmFeO316 (\(\Delta {S}_{\theta }\) = 17K에서 5T에 대해 9.0J/kg·K), KTm(MoO4)217(\(\Delta {S}_{\theta }\) = 10K에서 5T에 대해 9.8J/kg·K), 및 KEr(MoO4)218(\(\Delta{S}_{\theta }\) = 10K에서 5T에 대해 13J/kg·K).

RCr0.5Fe0.5O3(R = La, …, Lu) 화합물은 Cr3+(0.615 Å) 및 Fe3+(0.645 Å)의 유사한 이온 반경으로 인해 무작위로 분포된 Cr3+ 및 Fe3+ 이온을 갖는 Pbnm 공간 그룹을 갖는 무질서한 사방정계 페로브스카이트 구조로 결정화됩니다. ) 이온19,20,21,22,23. 기울어진 반강자성 순서는 지배적인 Fe3+-Fe3+ 교환 결합(Bertaut 표기법의 Γ4(GxAyFz))으로 인해 RFeO3에서 나타납니다. RCr0.5Fe0.5O3에서 Γ4 자기 구조는 Cr3+ 이온의 자기 희석 효과로 인해 훨씬 ​​낮은 T에서 발생합니다28. 다양한 자기상 및 상호 작용을 기반으로 하는 일련의 화합물에 대한 광범위한 조사를 통해 메타자성25,26, 교환 바이어스27,28, 자기유전체 효과22,29,30 및 다강성31,32,33,34과 같은 흥미로운 물리적 특성이 밝혀졌습니다. 또한 GdCr0.5Fe0.5O320(\(\Delta {S}_{M}\)= 29.2 J/kg·K for ΔH = 0–4.5 T), Gd2NiMnO635(\( \Delta {S}_{M}\)= 37.2 J/kg·K for ΔH = 0–8 T), ErCr0.5Fe0.5O336 (\(\Delta {S}_{M}\)= 12.4 J/ ΔH = 0–5 T의 경우 kg·K) 및 DyCr0.5Fe0.5O333(ΔH = 0–4.5 T의 경우 \(\Delta {S}_{M}\)= 11.3 J/kg·K)도 확인되었습니다. 발견되었습니다. 다양한 연구에서는 강한 이방성을 갖는 자기 희토류 이온의 큰 자기 모멘트가 극저온 MCE에 큰 영향을 미칠 것이라는 가설을 세웠습니다. 그러나 이러한 연구는 관찰된 물리적 특성에 대한 평균 효과를 초래하는 모든 공간 방향의 많은 수의 입자를 포함하는 다결정 시편에만 초점을 맞췄습니다.