Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время актуальной проблемой является теоретическое и экспериментальное исследование сплавов Гейслера в связи с рядом их уникальных свойств, которые проявляются в области структурного и магнитоструктурного фазовых переходов при внешних воздействиях (давление, внешнее магнитное поле, температура). К этим свойствам относятся эффект памяти формы, магнитный эффект памяти формы, обратимые магнитодеформации, эффекты сверхупругости и сверхпластичности, магнитокалорический эффект, магнитосопротивление, эффект обменного смещения [1-3].
Особый интерес представляет исследование магнитокалорического эффекта (МКЭ) вследствие его потенциальной применимости в технологии магнитного охлаждения.
МКЭ происходит в любом магнитном материале, где имеется связь магнитных и тепловых свойств. Обычно он вызван наложением или выключением внешнего магнитного поля. МКЭ измеряется через изменение температуры при адиабатическом увеличении поля или через изменение энтропии в изотермическом процессе.
МКЭ может быть использован в ряде технологических приложений -например, для лечения некоторых типов рака - биосовместимые магнитные наночастицы при изменении магнитного поля нагреваютсяся, что приводит к уничтожению раковых клеток, практически не повреждая здоровых. Необходимо проведение ряда междисциплинарных исследований, прежде чем данное приложение магнитокалорического может быть использовано для лечения [4]. Главное приложение МКЭ в настоящее время - магнитное охлаждение [5].
Недостатками систем охлаждения, основанных на компрессионном принципе, являются высокое потребление электроэнергии, большие размеры охлаждающей системы, необходимость в специальной утилизации (фреоны, использующиеся в качестве хладагента, разрушают озоновый слой при попадании в атмосферу).
Магнитное охлаждение является безопасным для окружающей среды, поскольку магнитные соединения используются как охлаждающие материалы, а вода или другие не ядовитые жидкости используются как теплообменники. Ожидается, что энергопотребление магнитных рефрижераторов будет значительно ниже по сравнению с традиционными рефрижераторами парового цикла.
Исследование эффекта двойникования в сплавах Гейслера является актуальной задачей, поскольку данный эффект оказывает существенное влияние на механические свойства кристаллов, такие как пластичность, хрупкость, прочность, на магнитные, электрические и оптические свойства, на качество полупроводниковых приборов. Закономерности процессов двойникования используются для анализа минералов и условий образования горных пород в геологии. [6].
Сростки двух однородных кристаллов, отличающихся либо зеркальным отражением в плоскости симметрии (плоскость двойникования), либо поворотом вокруг оси симметрии (ось двойникования), либо отражением в центре инверсии называются двойниками.
Движения двойниковой границы происходит путем переориентации мартенситных вариантов под действием внешнего магнитного поля, сопровождающейся увеличением доли одного варианта за счёт другого. Это приводит к появлению наведенных магнитным полем деформаций (магнитодеформаций).
В настоящее время ведутся активные экспериментальные работы по исследованию эффекта магнитодеформаций в сплавах Гейслера, поскольку в них наблюдаются огромные магнитодеформаций порядка 6 - 12% [7,8].
Цель и задачи диссертационной работы. Таким образом, целью диссертационной работы является теоретическое исследование магнитокалорического эффекта в антиферромагнетиках и в системах с конкурирующими ферро- и антиферромагнитными взаимодействиями, а также моделирование кинетики двойниковых границ в сплавах Гейслера во внешнем магнитном поле.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.
-
Исследование магнитокалорического эффекта в двухподрешеточных антиферромагнетиках в приближении молекулярного поля.
-
Исследование фазовых диаграмм и магнитокалорического эффекта в ферромагнетиках с конкурирующими обменными взаимодействиями методом Монте-Карло.
3) Исследование кинетики движения двойниковых границ в сплаве
NiiMnGa по действием внешнего магнитного поля на двумерной и реальной
кристаллических решетках методом Монте — Карло.
Научная новизна работы
1) Изучен обратный магнито калорический эффект в
двухподрешеточном антиферромагнетике в модели Гейзенберги в
приближении теории молекулярного поля.
-
Впервые теоретически получена фазовая диаграмма ферромагнетика с конкурирующими ферро- и антиферромагнитными взаимодействиями методом Монте-Карло в рамках модели Поттса 5 состояний.
-
Впервые исследован магнитокалорический эффект в ферромагнетике с конкурирующими ферро- и антиферромагнитными взаимодействиями методом Монте-Карло в рамках модели Поттса 5 состояний.
-
Впервые проведено исследование кинетики движения двойниковых границ в сплавах Гейслера с использованием метода Монте-Карло в рамках моделей Изинга и Гейзенберга в магнитной подсистеме и Блюме-Эмери-Грифитса в упругой подсистеме с учётом магнитоупругого взаимодействия на двумерной квадратной решетке с одним типом атомов.
-
Впервые проведено исследование кинетики движения двойниковых границ в сплавах Гейслера с использованием метода Монте-Карло в рамках моделей Гейзенберга в магнитной подсистеме и Блюме—Эмери-Грифитса в
упругой подсистеме с учётом магнитоупругого взаимодействия на реальной трехмерной решетке сплавов Гейслера.
Научная и практическая значимость работы. Результаты, полученные в работе, существенно дополняют имеющиеся теоретические представления о магнитокалорическом эффекте в антиферромагнетиках, фазовых переходах в сплавах Гейслера с конкурирующими ферро- и антиферромагнитными взаимодействиями, а также о кинетике движения двойниковых границ в сплавах Гейслера под действием внешнего магнитного поля. Данные результаты могут быть использованы в технологии магнитного охлаждения, а также при разработке актюаторов, датчиков и сенсоров, работа которых основана на изменении внешнего магнитного поля.
Достоверность полученных результатов. При исследовании магнитокалорического эффекта в антиферромагнетиках было использовано приближение молекулярного поля, которое достаточно хорошо описывает физические свойства широкого класса систем. Полученные результаты качественно соответствуют экспериментальным данным по магнитокалорическому эффекту в антиферромагнетиках.
Исследование фазовой диаграммы и магнитокалорического эффекта в ферромагнетиках с конкурирующими ферро- и антиферромагнитными взаимодействиями проведено классическим методом Монте-Карло с помощью хорошо известной и апробированной модели Поттса. Полученная фазовая диаграмма и последовательность фазовых переходов в магнитной подсистеме согласуются с результатами работ других авторов.
При исследовании движения двойниковой границы в сплавах Гейслера Ni-Mn-Ga методом Монте-Карло были использованы хорошо известные и апробированные модели Изинга, Гейзенберга и Блюме-Эмери-Гриффитса. Полученные температурные зависимости долей мартенситных вариантов и спиновых проекций согласуются с экспериментальными данными. Полевые зависимости долей мартенситных вариантов и спиновых проекций и кинетика движения двойниковой границы качественно согласуются с экспериментом.
Положения, выносимые на защиту:
1) Результаты исследования магнитокалорического эффекта в
антиферромагнетиках на основании модели молекулярного поля и
гамильтониана Гейзенберга.
2) Результаты исследования фазовой диаграммы ферромагнетика с
конкурирующими взаимодействиями методом Монте-Карло в рамках
модели Поттса.
3) Результаты исследования магнитокалорического эффекта в
ферромагнетиках с конкурирующими взаимодействиями методом Монте-
Карло в рамках модели Поттса.
4) Результаты исследования движения двойниковой границы в сплавах
Гейслера в магнитном поле методом Монте-Карло на двумерной модельной
решётке в рамках моделей Изинга в магнитной подсистеме и Блюме-Эмери-
Гриффитса в упругой подсистеме с учётом магнитоупругого взаимодействия.
5) Результаты исследования движения двойниковой границы в сплавах Гейслера в магнитном поле методом Монте-Карло на реальной трёхмерной решётке в рамках моделей Гейзенберга в магнитной подсистеме и Блюме— Эмери-Гриффитса в упругой подсистеме с учётом магнитоупругого взаимодействия.
Апробация работы. Основные результаты диссертации регулярно представлялись и обсуждались на семинарах кафедры физики конденсированного состояния Челябинского государственного университета, а также представлялись на следующих конференциях: Юбилейной X Всероссийской молодёжной школе-семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества, Екатеринбург, 2009; IV Euro-Asian symposium «Trends in magnetism: Nanospintronics» (EASTMAG), Ekaterinburg, Russia, 2010; Material Research Society Fall Meeting, Boston, USA, 2010; Конференции «Фундаментальная математика и её приложения в естествознании», Уфа, БашГУ, 2010; Moscow International Symposium on Magnetism, Moscow, Russia, 2011; 17-я Всероссийская научная конференция студентов - физиков, Екатеринбург, 2011; Международной зимней школы физиков-теоретиков «Коуровка-2012», «Зеленый мыс», Новоуральск, Свердловская обл., Екатеринбург, 2012; Международной школе-конференции для студентов, аспирантов и молодых ученых «Фундаментальная математика и ее приложения в естествознании», Уфа, БашГУ, 2012; Joint European Magnetic Symposia, (JEMS), Parma, Italy, 2012.
Работа выполнена при поддержке фантов Губернатора Челябинской области 2013, гранта фонда поддержки молодых ученых «ФПМУ - 2013», Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы», государственный контракт № 14.132.21.1414 от 03.10.2012.
Публикации и личный вклад. Содержание диссертации отражено в 21 печатных изданиях, из которых 4 статьи в рецензируемых изданиях из списка ВАК, 5 статей в других изданиях и 12 тезисов докладов. Общий список публикаций представлен в конце диссертации.
Вклад автора состоит в разработке алгоритмов и программ для численного моделирования, выполнении расчётов, интерпретации результатов и написании статей.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Полный объём работы составляет 112 страниц, включая 57 рисунков. Список цитированной литературы составляет 87 наименований.
Похожие диссертации на Исследование магнитокалорического эффекта и движения двойниковых границ в антиферромагнетиках и сплавах Гейслера
