ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Thị Hậu NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA HỆ VẬT LIỆU La 1-y Ce y Fe 11,44 Si 1,56 Chuyên ngành : Vật Lý
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
Nguyễn Thị Hậu
NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA HỆ VẬT
LIỆU La 1-y Ce y Fe 11,44 Si 1,56
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hà Nội -2015
Trang 2ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
Nguyễn Thị Hậu
NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA HỆ VẬT
LIỆU La 1-y Ce y Fe 11,44 Si 1,56
Chuyên ngành : Vật Lý Nhiệt
Mã số: Chương trình đào tạo thí điểm
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS Đỗ Thị Kim Anh
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hà Nội -2015
Trang 4LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, cho phép tôi được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới PGS.TS Đỗ Thị Kim Anh, cô là người đã trực tiếp hướng dẫn khoa học, chỉ bảo tận tình và tạo điều kiện tốt nhất giúp tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn
Để đạt được thành công trong học tập và hoàn thành khóa học như ngày nay, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy cô trong bộ môn Vật lý Nhiệt độ Thấp, Khoa Vật Lý và Phòng Sau đại học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Các thầy cô đã trang bị tri thức khoa học và tạo điều kiện học tập thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian qua
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sấu sắc, tình yêu thương tới gia đình và bạn bè – nguồn động viên quan trọng về vật chất và tinh thần giúp tôi có điều kiện học tập và nghiên cứu khoa học như ngày hôm nay
Luận văn có sự hỗ trợ của đề tài mã số QG.14.16
Xin trân trọng cảm ơn!
Tác giả
Nguyễn Thị Hậu
Trang 5ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
1 Danh mục các ký hiệu
TC: Nhiệt độ Curie
∆H: Biến thiên từ trường
|∆S|max: Entropy từ cực đại
Ms: Mômen từ bão hòa
2 Danh mục các chữ viết tắt
AFM: Phản sắt từ
FM: Sắt từ
PM: Thuận từ
MCE: Hiệu ứng từ nhiệt
SQUID: Giao thoa kế lượng tử siêu dẫn
TLTK: Tài liệu tham khảo
XRD: Nhiễu xạ tia X
Trang 7iv
Trang 8
MỞ ĐẦU
Ngày nay, năng lượng và môi trường đang là hai vấn đề nóng bỏng của toàn nhân loại Các nguồn tài nguyên thiên nhiên, các nguồn nguyên liệu hóa thạch đang ngày cạn kiệt Vì vậy việc nghiên cứu chế tạo ra các nguồn năng lượng tích trữ cũng như tiết kiệm năng lượng luôn là vấn đề hết sức cấp thiết Bên cạnh đó, môi trường của chúng ta đang ngày càng bị ô nhiễm một cách trầm trọng Đi cùng với việc xử
lý rác thải làm sạch môi trường, việc bảo vệ và giảm thiểu những chất thải trong sản xuất gây ra tình trạng ô nhiễm môi trường cũng là vấn đề đáng ưu tiên Ngiên cứu tìm ra những công nghệ mới vừa có khả năng ứng dụng trong đời sống vừa có những ưu điểm phù hợp với vấn đề bảo vệ môi trường đã, đang và sẽ là mối quan tâm hàng đầu đối với các nhà nghiên cứu cũng như các nhà sản xuất Trong các hướng nghiên cứu đó, công nghệ làm lạnh từ nhiệt dựa trên hiệu ứng từ nhiệt (Magnetocaloric Effect-MCE) là một ứng cử viên sáng giá cho việc cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng cũng như bảo vệ môi trường Hiệu ứng từ nhiệt là hiệu ứng dựa trên sự thay đổi nhiệt độ của vật liệu từ nhờ tác động của từ trường ngoài Nó hiệu quả hơn so với kỹ thuật làm lạnh truyền thống dựa trên nguyên lý nén giãn khí truyền thống Nếu như các thiết bị làm lạnh lý tưởng dựa trên nguyên lý nén, giãn khí truyền thống trên thị trường chỉ có thể đạt được hiệu suất 40% thì thiết bị làm lạnh bằng từ trường có thể đạt tới hiệu suất 70% của chu trình nhiệt động lực học lý tưởng (chu trình Carnot) Hơn thế nữa, làm lạnh bằng từ trường không sử dụng chất khí làm lạnh, không liên quan đến việc làm suy giảm tầng ôzon hoặc hiệu ứng nhà kính, do đó thân thiện hơn với môi trường
Trên thực tế, hiệu ứng từ nhiệt đã được phát hiện từ khá lâu (năm 1881) bởi Warburg) [19] và đã được ứng dụng trong kỹ thuật làm lạnh ở nhiệt độ rất thấp (đến
cỡ micro Kelvin) [9].Tuy vậy, các vật liệu từ mới thực sự được quan tâm tập trung nghiên cứu gần đây bởi những phát hiện mới cả về cơ chế cũng như độ lớn của hiệu ứng từ nhiệt Việc tìm kiếm các vật liệu từ nhiệt có khả năng ứng dụng trong các máy làm lạnh bằng từ trường ở vùng nhiệt độ phòng ngày càng được quan tâm nghiên cứu [15, 16, 25] Cho tới nay, nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới đã và
Trang 92
đang phát triển nhiều hệ vật liệu từ với MCE lớn Các hợp chất perovskite La
1-yCayMnO3 và La1-ySryCoO3 [23] được xem là những vật liệu đầy tiềm năng ứng dụng trong kỹ thuật làm lạnh từ bởi giá thành thấp, công nghệ chế tạo đơn giản và hiệu ứng từ nhiệt lớn Các vật liệu từ nhiệt có chuyển pha bậc nhất như Gd5Si4-yGey [24], LaFe13-xMx [8], MnAs, MnFeP1-yAsy [10], hợp kim Heusler [19], cũng đã thu hút sự chú ý do MCE khổng lồ của chúng Trong số các loại vật liệu này, hợp chất giả lưỡng nguyên LaFe13-xMx được quan tâm đặc biệt, xuất phát từ vật liệu hai nguyên loại LaT13 với cấu trúc lập phương loại NaZn13 có thể ổn định nhờ việc thay
thế một phần Fe bởi các kim loại M như Si hay Al Tính chất từ của hệ hợp chất này
phụ thuộc rất mạnh vào nguyên tố thay thế và nồng độ của nó Khi nồng độ Fe tăng
thì nhiệt độ chuyển pha Curie TC giảm và mômen từ bão hòa Ms tăng Trong hợp chất sắt từ LaFe13-xMx biểu hiện một tính chất từ giả bền điện tử linh động Tính chất này ảnh hưởng mạnh đến hiệu ứng từ nhiệt, hiệu ứng từ thể tích, từ giảo khổng
lồ và một số tính chất khác của vật liệu So với tác nhân từ trường và áp suất thì ảnh hưởng của sự điền kẽ bởi hydro và cacbon lên các tính chất từ của vật liệu cũng rất mạnh [17] và tương đương như khi thay thế Fe bằng các nguyên tố Si hoặc Co Việc pha tạp các nguyên tố đất hiếm khác như Pr, Nd, Ce, Er và Gd vào vị trí của La cũng đã được nghiên cứu nhằm mục đích cải tiến MCE, thay đổi nhiệt độ chuyển pha Curie và giảm từ trường tới hạn của chuyển tiếp từ 3d trong hợp chất La(Fe, Si)13 [21]
Trên cơ sở đó, trong luận văn này em tập trung nghiên cứu cấu trúc tinh thể
và tính chất từ của hệ vật liệu La1-yCeyFe11,44Si1,56 khi thay thế một phần La bởi Ce
Bố cục của luận văn bao gồm các phần sau:
MỞ ĐẦU
Chương I: TỔNG QUAN VỀ HỆ VẬT LIỆU CÓ CẤU TRÚC NaZn13
Chương II: MỘT SỐ CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chương III: PHƯƠNG PHẤP THỰC NGHIỆM
Chương IV: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
KẾT LUẬN
Trang 114
KẾT LUẬN
Sau thời gian thực hiện luận văn ở Bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp, tôi đã thu được một số kết quả như 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 thước hạt đều giảm khi tăng nồng độ
Ce Điều này được giải thích là do bán kính của nguyên tử Ce nhỏ hơn bán kính của nguyên tử La
Đã khảo ảnh hưởng 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 được khảo sát Các
hợp chất đều là chất sắt từ ở dưới nhiệt độ chuyển pha Curie TC Nhiệt độ chuyển
pha Curie TC và mômen từ bão hòa M s đều giảm khi tăng nồng độ Ce Chuyển pha từ giả bền đã được quan sát thấy trong hợp chất La0,7Ce0,3Fe11,44Si1,56 ở trên nhiệt độ
TC = 183 K thông qua các đường cong Arrott plots Kết quả này mở ra một hướng nghiên cứu tiếp theo về hiệu ứng từ nhiệt trong hợp chất này
Trang 12TÀI 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 nghị khoa
học nữ lần thứ 6, NXB ĐHQG 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
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 bằng các nguyên tố đất hiếm
Ce, Ho, Tb, Yb, Luận văn thạc sĩ, trường 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 substitution of Ce”, Journal of Magnetism and Magnetic Material, 310,
pp e1006-e1007
9 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
Trang 136
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
Trang 14La0.7Pr0.3Fe11.4Si1.6 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
11.2-xCoxSi1.8 melt-spun ribbons”, Journal of Alloys and Compounds, 450, pp
18-21