Tm0.2Y0.8Ga化合物在液氦温度下的磁热效应

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Magnetocaloric effect of Tm0.2Y0.8Ga compound at liquid helium temperature

　　

张子晓|高佳豪|杨淑贤|谢磊|徐家旺|莫兆军|刘丹|郑新奇

北京科技大学材料科学与工程学院，中国北京100083

摘要

设计工作温度在液氦温度附近的磁热材料具有重要意义。通过80%的Y替代，Tm_1-xY_xGa家族的磁有序温度成功降低到了3 K，而从15 K降低。具体来说，Tm_0.2Y_0.8Ga化合物在0.9 K和3 K分别表现出铁磁（FM）到反铁磁（AFM）的转变以及反铁磁到顺磁（PM）的转变。磁熵变化的最大值（$-∆S_M^{\mathit{max}}$' role="presentation">$??S_M^{\mathit{max}}$)在0–5 T和0–7 T的磁场变化下分别计算为10.2 J/kg K和12.8 J/kg K。工作温度范围分别为0.91 K至14.07 K和0.60 K至15.40 K。这表明Y替代是一种有效的方法来调整磁冷却材料的工作温度，Tm_0.2Y_0.8Ga在氦液化方面具有潜在应用。

引言

作为一种新型冷却技术，基于磁热效应（MCE）的磁制冷由于其环境优势和高效率[1]、[2]、[3]而具有广泛的应用前景。评估MCE的关键参数包括等温磁熵变化（$∆S_M$' role="presentation">$?S_M$）、磁制冷剂容量（RC）和绝热温度变化（$∆T_{\mathit{ad}}$' role="presentation">$?T_{\mathit{ad}}$）。在多种磁热材料中，工作温度在4.2 K和20 K附近的材料对氦液化和氢液化[3]、[8]、[9]、[10]、[11]的应用具有重要意义。因此，获得具有适当工作温度和显著MCE的磁热材料对于低温冷却非常重要。众所周知，最佳工作温度意味着在这个温度范围内MCE相对较大，而这些温度与磁转变温度密切相关[12]。一般来说，基于稀土化合物的低温磁热材料可以通过两种策略获得，考虑到磁有序温度与自旋角动量量子数之间的正相关关系。首先，从重稀土化合物开始探索，因为预期它们的自旋较小且磁有序温度较低[13]、[14]；其次，出于同样的原因，从重稀土替代化合物开始设计[15]、[16]、[17]。

正交CrB型RGa（R = 稀土）家族是一类具有重要磁转变和有趣物理行为的磁性材料[18]、[19]。在报道的RGa化合物中，TmGa由于其最小的自旋而表现出较低的磁有序温度。TmGa化合物在12 K和15 K分别表现出铁磁（FM）到反铁磁（AFM）和反铁磁到顺磁（PM）的转变[20]、[21]。此外，在0–2 T和0–5 T的磁场变化下，TmGa表现出巨大的MCE，最大ΔS_M ((-ΔS_M)_max)分别为20.7 J/kgK和34.2 J/kgK[20]。巨大的可逆MCE表明TmGa是一种有前景的磁热材料，其最佳工作温度约为13 K。然而，TmGa在液氦温度附近的MCE非常小，表明它不适合用于氦液化。实际上，通过自旋优化，如Er-Tm-Al系列[22]、Tm-Ho-Ga系列[23]和Er-Tm-Ga系列[24]，已经成功调整了稀土化合物的磁有序温度和磁冷却工作温度。应当注意的是，不仅可以通过用自旋较小的重稀土原子替代，也可以用自旋为零的稀土原子（如Y原子）来调节磁转变。在我们之前的工作中，通过Y替代将Tm-Y-Ga系列的磁有序温度从15.6 K调节到了约2 K，工作温度从接近液氢温度提高到了液氦温度[25]。然而，由于Tm_0.2Y_0.8Ga的磁有序温度低于2 K，因此没有详细研究其磁转变温度和峰值磁熵变化。

为了更详细地研究磁转变，特别是在2 K以下的磁热效应，合成了Tm_0.2Y_0.8Ga化合物，并在低至0.5 K的温度范围内进行了磁测量。系统研究了晶体结构和磁转变，并获得了具有明显磁熵变化峰值的磁热效应。还讨论了磁化行为和潜在应用。

章节片段

实验细节

多晶Tm_0.2Y_0.8Ga样品是在氩气氛围中使用水冷电弧熔炉用高纯度成分元素制备的。为了补偿稀土的重量损失，在化学计量量的成分中额外添加了2%的Tm和3%的Y。样品在1073 K下退火7天，然后在液氮中淬火。随后将其研磨成粉末，并在室温下使用Cu-Kα射线进行X射线衍射（XRD）测量

结果与讨论

X射线衍射（XRD）测量在室温下从10°到90°的范围内进行$\theta$' role="presentation">θ。Tm_0.2Y_0.8Ga化合物的XRD图样和Rietveld精修结果如图1所示。几乎所有峰都可以归因于CrB型结构的布拉格位置，除了大约32°处的峰，这是Tm杂质相的（110）峰。然而，该额外峰的强度较低，表明杂质含量确定为0.35%，预计可以忽略不计

结论

总之，合成了多晶Tm_0.2Y_0.8Ga化合物，并详细研究了Y替代对母体TmGa化合物的结构、磁性和磁热性能的影响。Y替代不改变空间对称性，但扩大了晶格。Tm_0.2Y_0.8Ga化合物经历了与母体TmGa相同的两次磁转变，但转变温度分别从12 K、15 K降低到了0.9 K、3 K。尽管Tm_0.2Y_0.8Ga化合物表现出中等

CRediT作者贡献声明

张子晓：撰写——原始草稿，研究，正式分析，数据管理。高佳豪：撰写——原始草稿，正式分析。杨淑贤：研究，数据管理。谢磊：研究。徐家旺：撰写——审阅与编辑。莫兆军：撰写——审阅与编辑。刘丹：撰写——审阅与编辑。郑新奇：撰写——审阅与编辑，撰写——原始草稿，监督，项目管理，资金获取，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（编号：2023YFA1610400）和国家自然科学基金（编号：52171170）的支持。