Исследование магнитокалорического эффекта в манганитах Павлухина, Оксана Олеговна

Введение к работе

Актуальность темы. Задача создания компактного, экологически безопасного, энергетически эффективного и высоконадежного холодильника, работающего в диапазоне комнатных температур, чрезвычайно актуальна в настоящее время. Это обусловлено целым рядом серьезных претензий к ныне действующим охлаждающим системам. Известно, в частности, что при эксплуатации используемых в настоящее время охлаждающих систем возможны утечки рабочих газов (хладагентов), вызывающих такие серьезные экологические проблемы как разрушение озонового слоя и глобальное потепление. Среди разнообразных альтернативных технологий, которые могли бы использоваться в холодильных устройствах, все большее внимание исследователей во всем мире привлекает технология магнитного охлаждения, основанная на магнитокалорическом эффекте (МКЭ) [1,2].

В последнее время интенсивно исследуются перовскитные манганиты, которые, во-первых, позволяют варьировать температуру фазовых переходов в широкой области температур и, таким образом, реализовать более широкий температурный рабочий интервал МКЭ, а во-вторых, являются экономически выгодными [1]. Работ, посвященных исследованию манганитов различного состава и МКЭ в них достаточно много, однако в них практически отсутствует информация об адиабатическом измерении прямым методом температуры при изменении магнитного поля [1]. В [3] отмечено, что в манганитах La-Ca-MnO₃ наблюдается значительный МКЭ, однако их температура Кюри значительно ниже комнатной, что ограничивает возможность их применения в охлаждающих устройствах, работающих при комнатных температурах. Однако частичная замена Са другими элементами с большим ионным радиусом, такими как Ва, Sr, Pb и т.д. может увеличить температуру Кюри и сохранить высокие значения МКЭ.

В работе [4], посвященной исследованию магнитных и магнитокалорических свойств La₀.₇Вa_xСa₀._3-xMnO₃, было показано, что в указанных манганитах наблюдается значительный МКЭ и их температуры Кюри находятся вблизи комнатных температур. Однако в данной работе изотермическое изменение энтропии было получено не прямым методом, а из данных о зависимости намагниченности от температуры и магнитного поля с помощью термодинамического соотношения Максвелла. Анализ многочисленных экспериментальных данных показал, что получаемые косвенным методом сведения о величинах адиабатического изменения температуры AT_ad и изотермическом изменении энтропии далеко не всегда достаточно достоверны. Часто эти данные отягощены значительной погрешностью [2]. Таким образом, по-прежнему актуальным является вопрос об измерении AT_ad прямым методом при изменении магнитного поля в манганитах различного состава.

Наличие большого количества экспериментальных работ по исследованию фазовых переходов и МКЭ в манганитах лантана, приводит к необходимости анализа экспериментальных результатов с помощью различных теоретических моделей. На сегодняшний день в научной печати имеется большое число работ, в которых обсуждаются теоретические модели, позволяющие описать фазовые переходы и МКЭ в различных магнитных материалах, однако теоретические работы, позволяющие описывать МКЭ в манганитах лантана, практически отсутствуют. Рассчитанные на основе теоретических моделей магнитокалорические свойства исследуемых систем позволят предсказать новые перспективные композиционные составы манганитов, которые могут иметь в будущем большое практическое значение при создании рабочего тела в устройствах магнитного охлаждения.

Ещё одной актуальной задачей в технологии магнитного охлаждения является анализ процессов теплопереноса в ячейках охлаждающих устройств, в которых в качестве рабочего тела используются материалы с МКЭ, в частности, манганиты. Для последних материалов до сих пор не проводился теоретический анализ времен температурной релаксации, а также не обсуждались способы увеличения эффективности магнитных охлаждающих устройств.

Цель и задачи диссертационной работы. Таким образом, целью диссертационной работы является экспериментальное и теоретическое исследование магнитокалорических свойств манганитов.

В связи с поставленной целью решались следующие задачи.

В экспериментальной части работы.

1. Анализ исходных компонент для синтеза манганитов и выбор режимов их предварительной термической обработки.

2. Приготовление образцов Ьао.7Ва_хСао.з-_хМп0₃ (x = 0.3, 0.24, 0.12), Lao₈K₁. _xBa_xMn0₃ (х=0, 0.025, 0.05), La_{0 825}Na₀₁₇₅MnO₃ La₀₈Na₀₂MnO₃ методом твердофазного синтеза.

3. Измерение низкополевой намагниченности и температурных зависимостей МКЭ в манганитах лантана прямыми методами.

В теоретической части работы.

4. Первопринципные вычисления интегралов обменного взаимодействия манганитов La_1-хВa_xMn0₃ (x = 0.3, 0.33, 0.35).

5. Разработка модели для исследования МКЭ в манганитах La₁^a_xMnO₃ (x = 0.3, 0.33, 0.35) методом Монте-Карло с использованием обменных интегралов из ab initio расчетов.

6. Сопоставление полученных в первой части экспериментальных данных по значению температуры Кюри и величине МКЭ для La₀.₇Вa₀.₃MnO₃ с результатами теоретического моделирования.

7. Первопринципные вычисления интегралов обменного взаимодействия для Lao.зСao.7Mn0з.

8. Разработка модели исследования МКЭ в манганитах La₀.₃Сa₀.₇MnO₃ методом Монте-Карло в случае фазовых переходов первого рода.

9. Исследование процессов теплопереноса в ячейках магнитного охлаждения, анализ значений времен температурной релаксации манганитов в сравнении с гадолинием, скорости потока теплоносителя влияющей на эффективность теплопереноса, а так же влияние выбора теплоносителя в возможных конструкциях устройств, работающих по принципу магнитного охлаждения.

Научная новизна работы

9. 1. Впервые получены температурные зависимости МКЭ (адиабатического изменения температуры AT_ad при изменении внешнего магнитного поля) прямым методом для манганитов Ьао.7Ва_хСао.з-_хМпОз (x = 0.3, 0.24, 0.12).

   2. Впервые исследованы магнитокалорические характеристики образца, состоящего из двух манганитов с составами La₀₇Ba₀₃MnO₃ и Ьао.7Вао.24Сао.обМпОз.

   3. Впервые найдены точки фазовых переходов для синтезированных образцов Lao.₈K_1-xBa_xMnO₃ (x=0.05, 0.025) и La_{0 825}Na₀₁₇₅MnO₃.

   4. Впервые получены температурные зависимости AT_ad прямым методом для La0.7Sr0.3Mn0.95Fe0.05O3 и La0.7Sr0.3Mn0.9Cu0.1O3.

   5. Впервые расчитаны интегралы обменного взаимодействия для La_1- хВaxMnOз (x = 0.3, 0.33, 0.35).

   6. Впервые методом Монте-Карло с использованием обменных интегралов из ab initio расчетов разработан алгоритм, позволяющий описать фазовые переходы в манганитах La₁^a_xMnO₃ (x = 0.3, 0.33, 0.35),

   7. Впервые разработан алгоритм, позволяющий методом Монте-Карло описать фазовые переходы первого рода в манганитах La₀.₇Сao.₃MnO₃.

   8. Исследованы процессы теплопереноса в ячейках магнитного охлаждения, проведен анализ значений времен температурной релаксации манганитов в сравнении с гадолинием, а также анализ влияния выбора теплоносителя и скорости потока теплоносителя на эффективность теплопереноса в различных конструкциях устройств магнитного охлаждения.

   Научная и практическая значимость работы. Полученные результаты расширяют существующие представления о фазовых переходах, происходящих в манганитах, и могут быть использованы при дальнейшем теоретическом и экспериментальном исследовании фазовых превращений и магнитокалорических свойств в манганитах. Результаты моделирования магнитокалорических свойств материалов могут иметь в будущем большое практическое значение при поиске и создании оптимального рабочего тела, а исследование процессов теплопереноса в различных системах, анализ значений времен температурной релаксации манганитов в сравнении с гадолинием, влияние выбора теплоносителя, а так же скорости потока теплоносителя влияющей на эффективность теплопереноса, помочь в конструировании устройств, работающих по принципу магнитного охлаждения. Что касается экспериментальной части работы, то максимальные значения МКЭ в исследуемых манганитах наблюдаются вблизи комнатных температур, что позволяет использовать данные соединения для создания магнитных охлаждающих устройств.

   Достоверность полученных результатов. Экспериментальные данные получены на хорошо испытанном и зарекомендовавшем себя оборудовании. Измерения величины МКЭ проводились прямым методом на хорошо апробированной установке производства фирмы AMT&C. Исследования процессов теплопереноса выполнено с помощью хорошо известных численных методов, в частности, методом конечных эементов. Для теоретического исследования фазовых превращений и магнитокалорических свойств манганитов лантана был применен классический метод Монте-Карло, зарекомендовавший себя при изучении фазовых переходов и критических явлений. Обменные интегралы рассчитывались известным и широко использумым программным пакетом SPR-KKR [6]. В диссертационной работе использованы также хорошо известные гамильтонианы Гейзенберга и Поттса. Таким образом, научные и практические результаты в достаточной степени обоснованы применением апробированных теоретических и экспериментальных методов.

   Положения, выносимые на защиту:

   9. 8. 1. Температурные и полевые зависимости AT_ad полученные прямым методом для Ьа₀.7Ва_хСао.з_-хМпОз (x = 0.3, 0.24, 0.12), La0.7Sr0.3Mn0.95Fe0.05O3 и La0.7Sr0.3Mn0.9Cu0.1O3.

         2. Значения температур фазовых переходов для синтезорованных образцов La₀₈K_1-xBa_xMnO₃ (x=0.025, 0.05) и La_{0 825}Na₀₁₇₅MnO₃.

         3. Значения интегралов обменного взаимодействия для La₁^a_xMnO₃ (x = 0.3, 0.33, 0.35).

         4. Модели для исследования фазовых переходов и МКЭ в La₁^a_xMnO₃ (x = 0.3, 0.33, 0.35) и La₀.₇Сa₀.₃MnO₃ методом Монте-Карло.

         5. Результаты численного моделирования фазовых переходов и МКЭ La_1- ^a_xMnO₃ (x = 0.3, 0.33, 0.35) методом Монте-Карло с использованием модели Гейзенберга.

         6. Результаты численного моделирования фазовых переходов и МКЭ для La₀.₇Сa₀.₃MnO₃ методом Монте-Карло с использованием модели Поттса.

         7. Результаты исследования процессов теплопереноса в ячейках магнитного охлаждения, анализ значений времен температурной релаксации манганитов в сравнении с гадолинием, анализ влияния выбора теплоносителя, а так же скорости потока теплоносителя в различных конструкциях устройств магнитного охлаждения.

         Апробация работы. Результаты диссертационной работы обсуждались и докладывались на научном семинаре «Физика магнитных явлений» кафедры физики конденсированного состояния Челябинского государственного университета, а также обсуждались на следующих научных конференциях и симпозиумах: IX, X и XI Молодежная школа-семинар по современным проблемам физики конденсированного состояния вещества (СПФКС), Екатеринбург, 2008, 2009, 2010; VIII Региональная школа- конференция для студентов, аспирантов и молодых ученых по математике и физике, Уфа, 2008; ХХХШ и ХХХ^ Международная зимняя школа физиков- теоретиков «Коуровка», «Зеленый мыс», Новоуральск, Свердловская обл., 2010, 2012; VI Euro-Asian Sumposium «Trends in MAGnetism»: Nanospintronics (EASTMAG-2010), Ekaterinburg, Russia, 2010; X Международный семинар «Магнитные фазовые переходы», Махачкала, 2010;

         Europian Congress and Exhibition on Advanced Materials and Processes (Euromat-2011), Montreal, France, 2011; Moscow International Symposium on Magnetism, Moscow, Russia, 2011; XIth International Young Scientist's Conference on Applied Physics, Kyiv, Ukraine, 2011; International Conference on Superconductivity and Magnetism (ICSM-2012), Istanbul, Turkey, 2012; Международная школа-конференция для студентов, аспирантов и молодых ученых, Уфа, 2012; Joint European Magnetic Symposia (JEMS), Parma, Italy, 2012; Fifth IIF-IIR International Conference on Magnetic Refrigeration at Room Temperature (Thermag V), Grenoble, France, 2012; The International Conference on Magnetism (ICM 2012), Bexco, Busan, Korea, 2012; Новое в магнетизме и магнитных материалах (НМММ), Москва , 2012.

         Работа выполнена при поддержке грантов Губернатора Челябинской области 2011 и 2012 гг, стипендии Президента Российской Федерации 2012 г, гранта фонда поддержки молодых ученых «ФПМУ - 2012», Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы», государственный контракт № 14.740.11.1442 от 03.11.2011.

         Публикации и личный вклад. Основное содержание диссертации отражено в 22 печатных изданиях, включающих 9 статей, пять из которых в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК. В совместных публикациях вклад автора заключается в непосредственном участии в постановке задач, в создании алгоритмов и разработке программ для численного моделирования, в выполнении численных расчётов, синтезе образцов и проведении экспериментальных исследований, а также в интерпретации полученных результатов и написании статей.

         Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Полный объем текста составляет 156 страниц, включая 85 рисунков. Список цитированной литературы содержит 170 наименований.

         Похожие диссертации на Исследование магнитокалорического эффекта в манганитах

         

         Исследование эффекта дальнодействия при малых дозах ионного и малых мощностях светового облученийАзов Алексей Юрьевич

         

         Исследование эффекта близости и джозефсоновских свойств в системах сверхпроводник-ферромагнетик-сверхпроводникВеретенников Александр Владимирович

         

         Исследование эффектов динамического рассеяния рентгеновских волн в зависимости от параметров кристаллической системы и природы первичного падающего пучка Аветисян Гаяне Гарушевна

         Исследование эффекта бимодальности временных распределений лазерных импульсов, прошедших через сильнорассеивающую биологическую средуПьянов, Иван Владимирович

         Теплофизические исследования калорических эффектов в некоторых кислородных ферроикахМихалева, Екатерина Андреевна

         Исследование аномальных эффектов при массопереносе в твердых телах методами неравновесной статистической механикиЖиводеров, Андрей Алексеевич

         

         Исследование размерных эффектов в тонких сегнетоэлектрических пленках зондовым методом периодического нагрева Давитадзе Сулхан Тамазович

         

         Исследование акустопластического эффекта и факторов, его вызывающих, методом ЭВМ моделирования Лосев Алексей Юрьевич

         

         Экспериментальное исследование магниторезистивного эффекта в композитах на основе ВТСПДубровский Андрей Александрович

         Исследование магнитокалорического эффекта и движения двойниковых границ в антиферромагнетиках и сплавах ГейслераКостромитин, Константин Игоревич