Effets magnétocaloriques géants et hautement anisotropes dans les monocristaux désordonnés

Mar 26, 2024

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 7105 (2023) Citer cet article

385 accès

1 Altmétrique

Détails des métriques

L'anisotropie magnétique est cruciale dans l'examen des matériaux adaptés aux fonctionnalités magnétiques, car elle affecte leurs caractéristiques magnétiques. Dans cette étude, des monocristaux de pérovskite désordonnée RCr0.5Fe0.5O3 (R = Gd, Er) ont été synthétisés et l'influence de l'anisotropie magnétique et de l'ordre supplémentaire des moments des terres rares sur les propriétés magnétocaloriques cryogéniques a été étudiée. GdCr0.5Fe0.5O3 (GCFO) et ErCr0.5Fe0.5O3 (ECFO) cristallisent tous deux dans une structure Pbnm orthorhombique avec des ions Cr3+ et Fe3+ distribués de manière aléatoire. Dans GCFO, l'ordre à longue portée des moments Gd3+ émerge à une température de TGd (la température d'ordre des moments Gd3+) = 12 K. La nature relativement isotrope du grand moment Gd3+ provenant d'un moment cinétique orbital nul présente un effet magnétocalorique géant et pratiquement isotrope. (MCE), avec un changement d'entropie magnétique maximal de \(\Delta {S}_{M}\) ≈ 50,0 J/kg·K. Dans ECFO, les magnétisations hautement anisotropes aboutissent à un grand MCE rotatif caractérisé par un changement d'entropie magnétique rotatif \(\Delta {S}_{\theta }\) = 20,8 J/kg·K. Ces résultats indiquent qu'une compréhension détaillée des caractéristiques magnétiquement anisotropes est la clé pour explorer les propriétés fonctionnelles améliorées des oxydes de pérovskite désordonnés.

La popularité croissante de la réfrigération magnétique économe en énergie dans les technologies propres a inspiré des recherches approfondies sur de nouveaux matériaux magnétiques pour découvrir une technique efficace d'amélioration de l'effet magnétocalorique (MCE), décrit comme la variation de température (T) dans un matériau magnétique en appliquant le champ magnétique (H)1,2,3,4. Le MCE peut être estimé par un changement adiabatique de T (\(\Delta {T}_{\mathrm{ad}}\)) et un changement d'entropie magnétique isotherme (\(\Delta {\mathrm{S}}_{\ mathrm{M}}\)) sous l'influence de H. La réfrigération magnétique cryogénique est cruciale pour obtenir des températures inférieures à Kelvin en remplacement de la réfrigération par dilution 3He/4He malgré l'augmentation des coûts et la liquéfaction de l'hydrogène gazeux, qui est utilisé comme carburant alternatif. Récemment, de grandes MCE cryogéniques ont été découvertes dans divers oxydes isolants de métaux de transition5,6,7 qui possèdent une facilité de fabrication, une stabilité chimique et évitent l'inefficacité de la réfrigération en raison des courants de Foucault. L'aspect bénéfique du MCE a été atteint par le \(\Delta {T}_{\mathrm{ad}}\) dans divers aimants à oxyde, tels que Gd2CoMnO68 (\(\Delta {T}_{\mathrm{ad} }\) = 1,3 K pour ΔH = 0–9 T à 2 K et \(\Delta {T}_{\mathrm{ad}}\) = 8,3 K pour ΔH = 0–9 T à 17 K ), SrFe0 .5Co0.5O39 (\(\Delta {T}_{\mathrm{ad}}\) = 1,8 K pour ΔH = 0–5 T à 330 K), HoMnO310 (\(\Delta {T}_{\mathrm {ad}}\) = 10,8 K pour ΔH = 0–7 T à 11 K), CrO211 (\(\Delta {T}_{\mathrm{ad}}\) = 2,0 K pour ΔH = 0–1,5 T à 390K). Alternativement, la faisabilité de la réfrigération magnétique peut être améliorée en développant un MCE8,12,13 rotatif, qui peut être obtenu en faisant tourner le réfrigérant à H constant. Les avantages de cette méthode sont la simplicité technique et la compacité du dispositif. Cependant, une forte anisotropie magnétique est essentielle pour la réalisation du refroidissement par réfrigérant, qui peut être obtenu à l'aide d'aimants monocristallins dont l'anisotropie magnétocristalline intrinsèque provient de l'interaction anisotrope spin-orbite qui varie en fonction de la symétrie et de la structure. Le MCE rotatif cryogénique a été observé dans plusieurs aimants à oxyde isolant, tels que TbMnO314 (le changement d'entropie magnétique obtenu par rotation, \(\Delta {S}_{\theta }\) = 9,0 J/kg·K pour 5 T à 15 K), HoMn2O515 (\(\Delta {S}_{\theta }\) = 12,4 J/kg·K pour 7 T à 10 K), TmFeO316 (\(\Delta {S}_{\theta }\) = 9,0 J/kg·K pour 5 T à 17 K), KTm(MoO4)217 (\(\Delta {S}_{\theta }\) = 9,8 J/kg·K pour 5 T à 10 K), et KEr(MoO4)218 (\(\Delta {S}_{\theta }\) = 13 J/kg·K pour 5 T à 10 K).

Les composés RCr0.5Fe0.5O3 (R = La, …, Lu) cristallisent dans une structure orthorhombique-pérovskite désordonnée avec un groupe spatial Pbnm ayant des ions Cr3+ et Fe3+ distribués de manière aléatoire en raison de rayons ioniques similaires de Cr3+ (0,615 Å) et Fe3+ (0,645 Å). ) ions19,20,21,22,23. L'ordre incliné-antiferromagnétique émerge dans RFeO3 en raison des couplages d'échange dominants Fe3+-Fe3+ (Γ4(GxAyFz) dans la notation de Bertaut)24. Dans RCr0.5Fe0.5O3, la structure magnétique Γ4 se produit à une T beaucoup plus basse provenant d'un effet de dilution magnétique des ions Cr3+28. Des recherches approfondies sur la série de composés basés sur diverses phases et interactions magnétiques révèlent des propriétés physiques intrigantes, telles que le métamagnétisme, le biais d'échange, l'effet magnéto-diélectrique et la multiferroïcité. De plus, les grands MCE cryogéniques sous formes polycristallines, tels que GdCr0.5Fe0.5O320 (\(\Delta {S}_{M}\)= 29,2 J/kg·K pour ΔH = 0–4,5 T), Gd2NiMnO635 (\( \Delta {S}_{M}\)= 37,2 J/kg·K pour ΔH = 0–8 T), ErCr0,5Fe0,5O336 (\(\Delta {S}_{M}\)= 12,4 J/ kg·K pour ΔH = 0–5 T), et DyCr0.5Fe0.5O333 (\(\Delta {S}_{M}\)= 11,3 J/kg·K pour ΔH = 0–4,5 T) ont également été découvert. Diverses études ont émis l'hypothèse que de grands moments magnétiques d'ions magnétiques de terres rares présentant une forte anisotropie affecteraient de manière significative le MCE cryogénique. Cependant, ces études se sont concentrées uniquement sur des spécimens polycristallins contenant un grand nombre de grains de toutes orientations spatiales, ce qui a donné lieu à un effet moyen sur les propriétés physiques observées.