The Magnetocaloric Effect in La(Fe,Mn,Si) 13 H  x   Based Composites: Experiment and Theory

A. P. Kamantsev; Каманцев А. П.; A. A. Amirov; Амиров А. А.; D. M. Yusupov; Юсупов Д. М.; A. V. Golovchan; Головчан А. В.; O. E. Kovalev; Ковалёв О. Е.; A. S. Komlev; Комлев А. С.; A. M. Aliev; Алиев А. М.

doi:10.31857/S001532302360106X

Магнитокалорический эффект в композитах на основе La(Fe,Mn,Si)₁₃H_x: эксперимент и теория

Авторы: Каманцев А.П.¹, Амиров А.А.², Юсупов Д.М.², Головчан А.В.¹^,3, Ковалёв О.Е.¹^,3, Комлев А.С.⁴, Алиев А.М.²
Учреждения:
1. Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН
2. Институт физики им. Х.И. Амирханова ДФИЦ РАН
3. Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина
4. Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Выпуск: Том 124, № 11 (2023)
Страницы: 1074-1085
Раздел: ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
URL: https://journal-vniispk.ru/0015-3230/article/view/232708
DOI: https://doi.org/10.31857/S001532302360106X
EDN: https://elibrary.ru/CEEPZW
ID: 232708

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Получены образцы композитов на основе порошков сплава LaFe_11.4Mn_0.3Si_1.3H_1.6 (LFMSH) с различной пористостью и шероховатостью поверхности, исследованы их магнитокалорические свойства прямым методом в циклических магнитных полях μ₀H = 1.2 Тл с частотой 2 Гц. Максимальное значение адиабатического изменения температуры в чистом порошке LFMSH составило ΔT = 3 K при Т₀ = 287 К в режиме охлаждения, для композитных образцов это значение оказалось примерно в 2 раза ниже, чем в порошке. Методами теории функционала электронной плотности исследовано влияние атомов Mn и H на электронную структуру и локальные магнитные характеристики исходного сплава La(Fe,Si)₁₃. Замена части атомов Fe на Mn снижает общий магнитный момент и несколько понижает температуру Кюри. Гидрирование, напротив, ведет к росту обменных взаимодействий между атомами Fe, расположенными в вершинах икосаэдра, и повышению температуры Кюри.

Ключевые слова

магнитокалорический эффект, сильные магнитные поля, обменное взаимодействие

Список литературы

Franco V., Blázquez J.S., Ipus J.J., Law J.Y., Moreno-Ramírez L.M., Conde A. Magnetocaloric effect: From materials research to refrigeration devices // Prog. Mater. Sci. 2018. V. 93. P. 112–232.
Кошкидько Ю.С., Дильмиева Э.Т., Каманцев А.П., Маширов А.В., Цвик Я., Кольчугина Н.Б., Коледов В.В., Шавров В.Г. Магнито-калорические материалы для низкотемпературного магнитного охлаждения // Радиотехника и электроника. 2023. Т. 68. № 4. С. 315–325.
Gottschall T., Skokov K.P., Fries M., Taubel A., Radulov I., Scheibel F., Benke D., Riegg S. Gutfleisch O. Making a cool choice: the materials library of magnetic refrigeration // Adv. Energ. Mater. 2019. V. 9. № 34. P. 1901322.
Fujieda S., Fujita A., Fukamichi K. Large magnetocaloric effect in La(FexSi1−x)13 itinerant-electron metamagnetic compounds // Appl. Phys. Lett. 2002. V. 81. № 7. P. 1276–1278.
Jia L. Sun J.R., Wang F.W., Zhao T.Y., Zhang H.W., Shen B.G., Li D.X., Nimori S., Ren Y., Zeng Q.S. Volume dependence of magnetic coupling in LaFe13 – xSix based compounds // Appl. Phys. Lett. 2008. V. 92. P. 101 904.
Jia L. Sun J.R., Shen J., Dong Q.Y., Zou J.D., Gao B., Zhao T.Y., Zhang H.W., Hu F.X., Shen B.G. Magnetocaloric effect in the La(Fe,Si)13 intermetallics doped by different elements // J. Appl. Phys. 2009. V. 105. P. 07A924.
Jia L. Magnetic coupling between rare-earth and iron atoms in the La1 – xRxFe11.5Si1.5 (R = Ce, Pr and Nd) intermetallics // Appl. Phys. Lett. 2008. V. 92. P. 182 503.
Moreno-Ramirez L.M., Romero-Muniz C., Law J.Y., Franco V., Conde A., Radulov I.A., Maccari F., Skokov K.P., Gutfleisch O. Tunable first order transition in La(Fe,Cr,Si)13 compounds: retaining magnetocaloric response despite a magnetic moment reduction // Acta Mater. 2019. V. 175. P. 406–414.
Krautz M., Skokov K., Gottschall T., Teixeira C.S., Waske A., Liu J., Gutfleisch O. Systematic investigation of Mn substituted La(Fe,Si)13 alloys and their hydrides for room-temperature magnetocaloric application // J. Alloy. Comp. 2014. V. 598. P. 27–32.
Lovell E., Bez H.N., Boldrin D.C., Nielsen K.K., Smith A., Bahl C.R.H., Cohen L.F. The La(Fe,Mn,Si)13Hz magnetic phase transition under pressure // Phys. Stat. Solidi. 2017. V. 11. P. 1700143.
Radulov I.A., Karpenkov D.Yu., Skokov K.P., Karpenkov A.Yu., Braun T., Brabänder V., Gottschall T., Pabst M., Stoll B., Gutfleisch O. Production and properties of metal-bonded La(Fe,Mn,Si)13Hx composite material // Acta Mater. 2017. V. 127. P. 389–399.
Fujieda S., Fujita A., Kawamoto N., Fukamichi K. Strong magnetocaloric effects in La1 − zCez(Fex − yMnySi1 − x)13 at low temperatures // Appl. Phys. Lett. 2006. V. 89. № 6. P. 062 504.
Suslov D.A., Shavrov V.G., Koledov V.V., Mashirov A.V., Terentyev Y.A., Petrov A.O., Kamantsev A.P., Samvelov A.V., Yasev S.G., Taskaev S.V., Kolesov K.A. Comparison of thermodynamic efficiency of cryogenic gas and solid-state magnetocaloric cycles // Chelyabinsk Phys. Math. J. 2020. V. 5. P. 612–617.
Liu J.J., Zhang Y., Xia W.X., Du J., Yan A.R. Systematic study of the microstructure and magnetocaloric effect of bulk and melt-spun ribbons of La-Pr–Fe–Si compounds JMMM. 2014. V. 350. P. 94–99.
Zong S.T., Wang C.L., Long Y., Fu B., Shi J.M., Han J., Zhao Y.Y. Solid solubility in 1:13 phase of doping element for La(Fe,S i)13 alloys // AIP Adv. 2016. V. 6. P. 056 223.
Moreno-Ramírez L.M., Law J.Y., Borrego J.M., Barcza A., Greneche J.M., Franco V. First order phase transition in high-performance La(Fe, Mn, Si)13H despite negligible hysteresis // J. Alloy Comp. 2023. P. 169883.
Skokov K.P., Karpenkov D.Yu., Kuz’min M.D., Radulov I.A., Gottschall T., Kaeswurm B., Fries M., Gutfleisch O. Heat exchangers made of polymer-bonded La(Fe,Si)13 // J. Appl. Phys. 2014. V. 115. № 17. P. 17A941.
Radulov I.A., Skokov K.P., Karpenkov D.Yu., Braun T., Gutfleisch O. Polymer-bonded La(Fe,Mn,Si)13Hx plates for heat exchangers // IEEE Trans. Magn. 2015. V. 51. № 11. P. 2501204.
Radulov I.A., Skokov K.P., Karpenkov D.Yu., Gottschall T., Gutfleisch O. On the preparation of La(Fe,Mn,Si)13Hx polymer-composites with optimized magnetocaloric properties // JMMM. 2015. V. 396. P. 228–236.
Radulov I.A., Karpenkov D.Yu., Specht M., Braun T., Karpenkov A.Yu., Skokov K.P., Gutfleisch O. Heat exchangers from metal-bonded La(Fe, Mn, Si)13Hx powder // IEEE Trans. Magn. 2017. V. 53. № 11. P. 2 502 907.
Tušek J., Kitanovski A., Poredoš A. Geometrical optimization of packed-bed and parallel-plate active magnetic regenerators // Int. J. Refrig. 2013. V. 36. № 5. P. 1456–1464.
Moore J.D., Klemm D., Lindackers D., Grasemann S., Träger R., Eckert J., Löber L., Scudino S., Katter M., Barcza A., Skokov K.P., Gutfleisch O. Selective laser melting of La(Fe,Co,Si)13 geometries for magnetic refrigeration // J. Appl. Phys. 2013. V. 114. № 4. P. 043 907.
Kagathara J., Wieland S., Gärtner E., Uhlenwinkel V., Steinbacher M. Heat treatment and formation of magnetocaloric 1:13 phase in LaFe11.4Si1.2Co0.4 processed by laser beam melting // Materials. 2020. V. 13. № 3. P. 773.
Navickaitė K., Liang J., Bahl C., Wieland S., Buchenau T., Engelbrecht K. Experimental characterization of active magnetic regenerators constructed using laser beam melting technique // Appl. Therm. Eng. 2020. V. 174. P. 115297.
Polonsky L., Lipson S., Markus H. Light weight cellular metal // Mod. Cast. 1961. V. 39. № 4.
Kamantsev A.P., Amirov A.A., Zaporozhets V.D., Gribanov I.F., Golovchan A.V., Valkov V.I., Pavlukhina O.O., Sokolovskiy V.V., Buchelnikov V.D., Aliev A.M., Koledov V.V. Effect of Magnetic Field and Hydrostatic Pressure on Metamagnetic Isostructural Phase Transition and Multicaloric Response of Fe49Rh51 Alloy // Metals. 2023. V. 13. № 5. P. 956.
Abdulkadirova N.Z., Gamzatov A.G., Kamilov K.I., Kadirbardeev A.T., Aliev A.M., Popov Y.F., Vorob’ev G.P., Gebara P. Magnetostriction and magnetocaloric properties of LaFe11.1Mn0.1Co0.7Si1.1 alloy: Direct and indirect measurements // J. Alloy. Comp. 2022. V. 929. P. 167 348.
Ebert H. et al. The Munich SPR-KKR package, version 8.6. https://www.ebert.cup.uni-muenchen.de/index.php/ de/software/13-sprkkr.
Ebert H., Ködderitzsch D., Minár J. Calculating condensed matter properties using the KKR-Green’s function method – recent developments and applications // Rep. Prog. Phys. 2011. V. 74. P. 096501.
Vosko S.H., Wilk L. Influence of an improved local-spin-density correlation-energy functional on the cohesive energy of alkali metals // Phys. Rev. B. 1980. V. 22. P. 3812–3815.
Liu X.B., Altounian Z., Ryan D.H. Structure and magnetic transition of LaFe13 – xSix compounds // J. Phys.: Cond. Matt. 2003. V. 15. P. 7385–7394.
Liechtenstein A.I., Katsnelson M.I., Antropov V.P., Gubanov V.A. Local spin density functional approach to the theory of exchange interactions in ferromagnetic metals and alloys // JMMM. 1987. V. 67. P. 65–74.
Mendive Tapia E., Patrick C.E., Hickel T., Neugebauer J., Staunton J.B. Quantification of electronic and magnetoelastic mechanisms of first-order magnetic phase transitions from first principles: application to caloric effects in La(FexSi1 – x)13 // arXiv e-prints. 2023. P. arXiv: 2302.06484. https://arxiv.org/abs/2302.06484
Mankovsky S., Ebert H. Accurate scheme to calculate the interatomic Dzyaloshinskii–Moriya interaction parameters // Phys. Rev. B. 2017. V. 96. P. 104 416.
Boutahar A., Hlil E.K., Lassri A., Fruchart D. Magnetic and electronic studies of LaFe13 – xSix compounds with 1.3 ≤ x ≤ 1.69 // JMMM. 2013. V. 347. P. 161–164.
Wang F., Wang G.-J., Hu F.-X., Kurbakov A., Shen B.-G., Cheng Z.-H. Strong interplay between structure and magnetism in the giant magnetocaloric intermetallic compound LaFe11.4Si1.6: a neutron diffraction study // J. Phys.: Cond. Matt. 2003. V. 15. P. 5269–5278.
Landau L.D., Binder K. A guide to Monte-Carlo simulation in statistical physics. Second edition. Cambridge University Press, UK, 2005. 432 p.
Krautz M., Beyer M., Jäschke C., Schinke L., Waske A., Seifertet J. A magnetocaloric booster unit for energy-efficient air-conditioning // Crystals. 2019. V. 9. № 2. P. 76.