论文部分内容阅读
我们采用磁控电弧熔炼、氩气保护下退火等方法制备了ε-(Mn1-xFex)3+δGe化合物和铁磁性哈斯勒合金Ni-Mn-Sb的系列合金试样。采用电弧熔炼、铜模吸铸方法制备了三元Gd基和Tb基块体金属玻璃系列合金试样。通过X射线衍射(XRD)、差热分析(DSC)等手段分析了所制备合金试样的晶体结构及其晶格常数、非晶结构及其热力学参数。用标准电阻应变计测量了合金试样在磁场下的应变，用超导量子干涉仪(SQUID)测量合金试样的磁性、电性、磁电阻和磁卡效应。
在ε-(Mn1-xFex)3+δGe体系中，我们主要研究了合金试样的电性和磁输运性质随Fe替代量增加而变化的关系。解释了Fe替代后(x>0)合金试样从金属导电性(x=0)变为非金属导电性的原因是由于ε-Mn3.25Ge化合物特殊的电子能带结构。Fe替代量为0≤x<0.17的合金试样，磁场对自旋涨落的抑制导致化合物出现负磁电阻。Fe替代量为0.17≤x≤0.2化合物在Tt(线性反铁磁AFII-三角反铁磁AFI)以下和TN(奈尔温度)以上出现反常的正磁电阻。在TN以上的导电性符合跃迁式导电机制，磁场的加入使得这种导电机制中局域态波函数的叠加受到抑制，载流子运动的轨道收缩导致正磁电阻的产生；Tt以下正磁电阻的产生是由于线性反铁磁的出现，从实验上验证了Yamada等人关于线性反铁磁体中会产生正磁电阻的理论推断。
由于环境保护意识的不断加强，近年来磁制冷技术和相关材料的研究成为制冷领域的研究热点。在反铁磁ε-(Mn0.83Fe0.17)3+δGe化合物的磁转变点Tt附近获得了磁场诱导的巨磁卡效应。当外加磁场后，该纯反铁磁体系在温度Tt附近发生了磁场诱导的AFII-AFI的变磁转变，伴随着这种变磁转变获得了数值巨大的反常磁卡效应。在93 K及7T磁场下，最大磁熵变△SM为11.6 J kg-1K-1。人们对磁制冷材料的研究都集中在铁磁性材料居里点附近，而我们的研究表明在纯反铁磁体中也可以获得数值巨大的磁卡效应，从而为研究和寻找新的磁制冷材料开辟了一个崭新的领域。
人们对铁磁性哈斯勒(Heusler)合金磁卡效应的研究集中在Ni-Mn-Ga，Ni-Mn-In和Ni-Mn-Sn三个体系中。我们选择了一种新的铁磁性哈斯勒合金Ni-Mn-Sb作为磁卡效应研究的对象，期望在室温获得大的磁卡效应。研究了Ni50Mn50-xSbx系列合金试样的马氏体转变行为、磁卡效应和磁场诱导的形状记忆效应。其中Ni50Mn37Sb13在287 K，5T磁场下获得9.1 J kg-1K-1的大的磁熵变，此数值可与著名的室温磁制冷材料Gd相比(△SM为9.8 J kg-1K-1)。此外在室温，合金试样Ni50Mn37Sb13在相对低的磁场下(1.2 T)显示了双向形状记忆效应。磁场诱导的反马氏体相变是产生大磁卡效应和应变的原因，而应变的动力是马氏体相大的磁晶各向异性。
由于非晶的无序结构的特点，使得铁磁性块体金属玻璃的磁转变点的温区较宽，从而为提高磁制冷能力(RC)提供了有利条件。研究了两种Gd基块体金属玻璃Gd55Co20Al25和Gd55Ni25Al20的磁卡效应，分别在居里点Tc附近，7T磁场下获得了△SM为11.2 J kg-1K-1(103 K)和10.8 J kg-1K-1(82.5 K)的大磁熵变；磁制冷能力RC值分别为846 J kg-1(5 T磁场下为541 J kg-1)和920 J kg-1(5 T磁场下为640 J kg-1)，制冷能力超过了所有晶体磁制冷材料。而且，Gd55Ni25Al20非晶的RC值超过了所有报道的晶体(Gd5Si2Ge1.9Fe0.1，5T磁场下RC为360 J kg-1)和非晶磁制冷材料(Gd53Al24Co20Zr3，5T磁场下RC为590 J kg-1)的RC值。所制备的两种三元Gd基非晶的大磁卡效应以及大磁制冷能力使得它们具有潜在的应用背景。
此外，在三元Tb基块体金属玻璃Tb55Co20Al25中发现了类自旋玻璃行为，并且在Tf以下相对低的磁场(2 T)获得了巨磁卡效应(4.5 K，最大磁熵变△SM为20 J kg-1K-1)。阐明了类自旋玻璃产生的原因(无序结构导致的随机性、Tb-Co之间的反铁磁性和Co-Co之间的铁磁性两种交换作用的竞争导致的自旋阻挫)，巨磁熵变产生的原因(非晶中Tb和Co元素大的原子磁矩所导致的)。而巨磁熵变所需的相对较低的磁场是由于在Tf以下被冻结的具有磁随机各向异性的磁矩在相对较低的磁场下就会沿着磁场的方向排列。在类自旋玻璃体系中获得的反常的正磁卡效应为研究磁制冷的热力学行为提供了一定的依据。