Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu cấu trúc, tính chất từ và hiệu ứng từ nhiệt của hợp kim Heusler Ni(Ag, Cu)-Mn-(Sb, Sn)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------- NGUYỄN THỊ MAI NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT TỪ VÀ HIỆU ỨNG TỪ NHIỆT CỦA HỢP KIM HEUSLER Ni(Ag, Cu)-Mn-(Sb, Sn) LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội - 2018 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------- Nguyễn Thị Mai NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT TỪ VÀ HIỆU ỨNG TỪ NHIỆT CỦA HỢP KIM HEUSLER Ni(Ag, Cu)-Mn-(Sb, Sn) Chuyên ngành: Vật lý chất rắn; Mã số: 62440104 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: 1. Đỗ Thị Kim Anh 2. Nguyễn Huy Dân TM. Tập thể cán bộ hƣớng dẫn Chủ tịch Hội đồng cấp ĐHQG PGS.

Đỗ Thị Kim Anh GS. Bạch Thành Công Hà Nội - 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS. Đỗ Thị Kim Anh và GS. Nguyễn Huy Dân.

Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Nguyễn Thị Mai LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất đến PGS. Đỗ Thị Kim Anh và GS. Nguyễn Huy Dân – những ngƣời Thầy đã trực tiếp tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ và tạo những điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án.

Cô và Thầy thực sự là những nhà khoa học mẫu mực, luôn quan tâm, động viên và khích lệ kịp thời khi tôi gặp khó khăn trong nghiên cứu khoa học cũng nhƣ trong cuộc sống. Tôi xin đặc biệt cảm ơn sự cộng tác và giúp đỡ rất hiệu quả về kiến thức chuyên môn cũng nhƣ kinh nghiệm làm thực nghiệm của TS. Nguyễn Hải Yến, TS. Phạm Thị Thanh, NCS.

Nguyễn Mẫu Lâm, NCS. Đinh Chí Linh, NCS. Đỗ Trần Hữu, TS. Dƣơng Đình Thắng, NSC.

Vũ Mạnh Quang, TS. Nguyễn Hữu Đức, NCS. Vƣơng Văn Hiệp và các cán bộ khác trong nhóm nghiên cứu tại Viện Khoa học Vật liệu, nơi tôi làm công việc thực nghiệm của luận án. Trong suốt thời gian làm việc tại đây, tôi luôn nhận đƣợc sự giúp đỡ và động viên của cả tập thể, nhận đƣợc những chia sẻ khi gặp khó khăn, thử thách trong công việc và cuộc sống.

Đó là những tình cảm hết sức quý báu xuất phát từ sự chân thành giúp đỡ nhau trong mọi việc. Những năm tháng đƣợc sống và làm việc tại đây đã và sẽ mãi là những kỷ niệm đẹp và ý nghĩa theo tôi đến suốt cuộc đời. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS. Trần Đăng Thành về sự giúp đỡ rất quý báu của anh về chuyên môn.

Những giúp đỡ về thực nghiệm, những luận bàn sâu sắc của anh đã đóng góp rất nhiều hàm lƣợng khoa học cho luận án này. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô công tác và giảng dạy tại khoa Vật lý- trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội, nơi tôi hoàn thành luận án. Thầy cô đã trang bị tri thức khoa học và tạo điều kiện học tập thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian qua. Xin đƣợc cảm ơn sự quan tâm và ủng hộ của các anh chị em đồng nghiệp và của lãnh đạo trƣờng Cao đẳng Công nghiệp In, nơi tôi công tác và giảng dạy.

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới các Thầy cô, bạn bè và những ngƣời thân đã động viên, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua. Luận án này đƣợc hỗ trợ kinh phí của các đề tài nghiên cứu cấp cơ sở của Viện Khoa học vật liệu, đề tài Khoa học Công nghệ cấp Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam cùng các đề tài nghiên cứu cơ bản của Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia (NAFOSTED). Công việc thực nghiệm của luận án này đƣợc thực hiện chủ yếu trên các thiết bị đặt tại Viện Khoa học vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam và tại Khoa Vật lý thuộc trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội. Sau cùng, tôi xin bày tỏ tình yêu thƣơng và lòng biết ơn đến những ngƣời thân yêu trong gia đình.

Những lời động viên của bố mẹ, tình yêu của chồng và sự ủng hộ của các con là những tình cảm vô giá, là động lực tinh thần mạnh mẽ nhất giúp tôi không những hoàn thành luận án mà còn vƣợt qua những thử thách khó khăn khác trong cuộc sống. MỤC LỤC Lời cam đoan Lời cảm ơn Danh mục chữ viết tắt. i Danh mục ký hiệu. ii Danh mục bảng.

iv Danh mục hình vẽ, đồ thị. v MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ NHIỆT. Ứng dụng của vật liệu từ nhiệt. Ứng dụng trong kĩ thuật tạo nhiệt độ thấp.

Ứng dụng trong kĩ thuật làm lạnh tại nhiệt độ phòng. Vật liệu từ nhiệt Heusler Ni-Mn-(Sb, Sn). Cấu trúc của hợp kim Heusler. Hiệu ứng từ nhiệt của hợp kim Heusler Ni-Mn-(Sb, Sn).

Một số kết quả nghiên cứu vật liệu từ nhiệt Heusler nền Ni-Mn tại Việt Nam.26 Kết luận chƣơng 1. 28 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT. Hiệu ứng từ nhiệt. Cơ sở nhiệt động học của hiệu ứng từ nhiệt.

Phƣơng pháp đánh giá hiệu ứng từ nhiệt của vật liệu. Phƣơng pháp đánh giá trực tiếp. Phƣơng pháp đánh giá gián tiếp. Tham số tới hạn của chuyển pha từ.

Sơ lƣợc về sự chuyển pha. Tham số tới hạn β, γ và δ. Phƣơng pháp xác định tham số tới hạn. Một số mô hình giải thích trật tự sắt từ.

Mô hình Heisenberg. Mô hình trƣờng trung bình .43 Kết luận chƣơng 2. 46 CHƢƠNG 3: PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM. Phƣơng pháp chế tạo mẫu.

Phƣơng pháp chế tạo mẫu khối. Phƣơng pháp chế tạo mẫu băng. Phƣơng pháp chế tạo mẫu băng đa lớp. Phƣơng pháp xử lí nhiệt.

Nhiễu xạ tia X. Hệ đo từ kế mẫu rung. 51 Kết luận chƣơng 3. 52 CHƢƠNG 4: CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT TỪ VÀ HIỆU ỨNG TỪ NHIỆT CỦA HỢP KIM Ni-Mn-(Sb, Sn).

Cấu trúc, tính chất từ và hiệu ứng từ nhiệt của băng Ni50Mn50-xSbx .1 Cấu trúc của băng Ni50Mn50-xSbx. Tính chất từ của băng Ni50Mn50-xSbx. Hiệu ứng từ nhiệt của băng Ni50Mn50-xSbx. Tham số tới hạn của băng Ni50Mn50-xSbx.

Cấu trúc, tính chất từ và hiệu ứng từ nhiệt của hợp kim khối Ni50Mn37Sn13. Ảnh hƣởng của điều kiện ủ lên cấu trúc của hợp kim khối Ni50Mn37Sn13. Ảnh hƣởng của điều kiện ủ lên tính chất từ của hợp kim khối Ni50Mn37Sn13 65 4. Hiệu ứng từ nhiệt của hợp kim khối Ni50Mn37Sn13 sau ủ nhiệt.

Tham số tới hạn của hợp kim khối Ni50Mn37Sn13 sau ủ nhiệt ……………. 71 CHƢƠNG 5: ẢNH HƢỞNG CỦA SỰ THAY THẾ Cu VÀ Ag CHO Ni LÊN TÍNH CHẤT TỪ VÀ MCE CỦA HỢP KIM Ni50Mn37Sn13. Ảnh hƣởng của sự thay thế Cu cho Ni trong băng hợp kim Ni50Mn37Sn13. Cấu trúc của băng hợp kim Ni50-xCuxMn37Sn13.

Tính chất từ của băng hợp kim Ni50-xCuxMn37Sn13. Hiệu ứng từ nhiệt của băng hợp kim Ni50-xCuxMn37Sn13. Tham số tới hạn của băng hợp kim Ni50-xCuxMn37Sn13. Ảnh hƣởng của sự thay thế Ag cho Ni trong hợp kim khối Ni50Mn37Sn13.

Cấu trúc của hợp kim khối Ni50-xAgxMn37Sn13. Tính chất từ của hợp kim khối Ni50-xAgxMn37Sn13 ………………………. Hiệu ứng từ nhiệt của hợp kim khối Ni50-xAgxMn37Sn13. Tham số tới hạn của hợp kim khối Ni50-xAgxMn37Sn13.

Ảnh hƣởng của sự thay thế Ag cho Ni trong băng hợp kim Ni50Mn37Sn13. Cấu trúc của băng hợp kim Ni50-xAgxMn37Sn13. Tính chất từ của băng hợp kim Ni50-xAgxMn37Sn13. Hiệu ứng từ nhiệt của băng hợp kim Ni50-xAgxMn37Sn13.

Tính chất từ và hiệu ứng từ nhiệt của băng đa lớp. Tính chất từ của băng hợp kim đa lớp. Hiệu ứng từ nhiệt của băng hợp kim đa lớp. 103 Kết luận chƣơng 5.

108 KẾT LUẬN CHUNG. 109 Danh mục các công trình khoa học đã công bố. 111 Tài liệu tham khảo. 114 iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt viết tắt AFM Antiferromagnetic Phản sắt từ AN Arrott-Noakers method Phƣơng pháp Arrott-Noakers đ.y Arbitrary unit Đơn vị tùy ý Số điện tử hóa trị trên mỗi e/a Electrons per atom nguyên tử FM Ferromagnetism Sắt từ FOMT First-order magnetic phase transition Chuyển pha loại 1 GMCE Giant magnetocaloric effect Hiệu ứng từ nhiệt lớn KF Kouvel-Fisher method Phƣơng pháp Kouvel-Fisher MCE Magnetocaloric effect Hiệu ứng từ nhiệt PM Paramagnetism Thuận từ SOMT Second-order magnetic phase transition Chuyển pha loại 2 i DANH MỤC KÝ HIỆU Ký hiệu Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt a Lattice constant a Hằng số mạng a A Exchange constant Hằng số trao đổi d Grain size Kích thƣớc hạt H Magnetic field Từ trƣờng J Exchange interaction Tích phân trao đổi M Magnetization Từ độ MS Spontaneous magnetization Từ độ tự phát RC Relative cooling power Khả năng làm lạnh tƣơng đối S Total entropy Tổng entropy Sel Electron entropy Entropy điện tử Slat Lattice entropy Entropy mạng Sm Magnetic entropy Entropy từ T Temperature Nhiệt độ TC Curie temperature Nhiệt độ Curie Curie temperature in austenite Nhiệt độ Curie tƣơng ứng với pha TCA phase austenite TCcom Curie temperature of composite Nhiệt độ Curie của băng đa lớp Curie temperature in martensite Nhiệt độ Curie tƣơng ứng với pha TCM phase martensite Martensite to austenite phase Nhiệt độ chuyển pha martensite TMA transition temperature sang austenite Tr1,2 Reference temperature Nhiệt độ tham chiếu Critical exponent for Tham số tới hạn liên quan đến từ β magnetization độ Critical exponent for Tham số tới hạn liên quan đến độ γ susceptibility cảm từ ii Critical exponent for critical Tham số tới hạn liên quan đến δ isotherm đƣờng từ hóa đẳng nhiệt ΔH Magnetic field change Biến thiên từ trƣờng ΔSm Magnetic entropy change Biến thiên entropy từ ΔTad Adiabatic temperature change Biến thiên nhiệt độ đoạn nhiệt Full width at haft the maximum of Độ bán rộng đỉnh của đƣờng biến δTFWHM ΔSm(T) thiên entropy từ phụ thuộc nhiệt độ ε Reduced temperature Nhiệt độ rút gọn χ0-1 Susceptibility Độ cảm từ iii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Nhiệt độ chuyển pha và biến thiên entropy từ của một số hợp kim Heusler nền Ni-Mn-Sn đƣợc nghiên cứu gần đây.1: Các tham số tới hạn theo các mô hình lý thuyết.1: Tỉ lệ về khối lƣợng của các băng riêng lẻ trong băng hợp kim đa lớp .1: Nhiệt độ chuyển pha và biến thiên entropy từ cực đại của một số hợp kim Ni50Mn50-xSbx.2: Pha cấu trúc và giá trị tham số tới hạn của hợp kim Ni50Mn50-xSbx.3: Giá trị nhiệt độ chuyển pha của mẫu Ni50Mn37Sn13 đã ủ.4: Nhiệt độ chuyển pha và biến thiên entropy từ của hợp kim Ni50Mn50-xSnx.1: Nhiệt độ chuyển pha và biến thiên entropy từ cực đại của băng hợp kim Ni50-xCuxMn37Sn13.