CC BY
20
Челябинский физико-математический журнал. 2021. Т. 6, вып. 1. С. 87-94.
УДК 537.638.5 Б01: 10.47475/2500-0101-2021-16107
ТЕПЛОЁМКОСТЬ И МАГНИТОКАЛОРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В МАНГАНИТАХ La0.7SrxBa0.3-xMnO3
А. Б. Гаджиев1, А. Г. Гамзатов1", А. Б. Батдалов1,6, А. М. Алиев1с, Д. Нанто2, Б. Курниаван3, С.-Ч. Юу4, Д.-Х. Ким5
1 Институт физики им. Х. И. Амирханова ДФИЦ РАН, Махачкала, Россия 2Государственный исламский университет С. Хидайятуллы, Джакарта, Индонезия 3 Университет Индонезии, Джакарта, Индонезия
4Национальный институт науки и технологий Ульсана, Ульсан, Южная Корея 5Национальный университет Чунгбук, Чхонджу, Южная Корея "[email protected], ь[email protected], [email protected]
Представлены результаты экспериментального исследования теплоёмкости (Ср), а также прямые и косвенные измерения магнитокалорического эффекта (ДТ, Д£) образцов Ьа0.7Бг0.з_хВахМпОз (х = 0, 0.02, 0.05, 0.10) в интервале температур 80-400 К и в магнитных полях до 1.8 Тл. Показано, что частичное замещение стронция (Бг) барием (Ва) смещает Тс и незначительно уменьшает магнитокалорический эффект. Максимальная величина изменения энтропии в поле 1.8 Тл равна = 1.6 Дж/кг-К для х = 0.02. Проведены оценки изменения энтропии, связанного с разупорядочением магнитной системы при фазовом переходе ферромагнетик-парамагнетик.
Ключевые слова: магнитокалорический эффект, теплоёмкость, манганиты, фазовые переходы.
Введение
Исследование магнитных материалов с гигантским магнитокалорическим эффектом (МКЭ) при комнатных температурах остаётся одной из актуальных задач в области магнитного охлаждения как с фундаментальной точки зрения, так и с практической [1-4].
Манганиты, получившие широкую известность благодаря эффекту колоссального магнетосопротивления [5; 6], стали также объектами пристального внимания вследствие обнаруженного в них магнитокалорического эффекта [1], на основе которого могут быть созданы магнитноохлаждающиеся устройства [2]. Кроме того, манганиты являются удобными объектами для исследования фундаментальных свойств сильнокоррелировнных электронных систем. Особый интерес представляют манганиты с частичным замещением ионов как в подрешётке А, так и в подре-шётке Мп. Такое замещение позволяет управлять температурой Кюри в широком интервале температур без заметных потерь в величинах наблюдаемых эффектов
[3; 4; 7].
Структурные и магнитные свойства системы Ьа0.78гхБа0.3-,1:МпО3 изучены в работе [8], где показано, что замена Бг на Ба приводит к сжатию элементарной ячейки по всем трём измерениям и, как следствие, к сокращению межатомных расстояний. Это способствует суперобменному взаимодействию между одинаковыми ионами.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда, проект № 18-1200415.
В данной работе мы сообщаем о результатах экспериментальных исследований теплоёмкости и магнитокалорического эффекта в образцах Ьа0.78г03-хВа,11МпО3 в интервале температур 80-400 К.
1. Образцы и эксперимент
Теплоёмкость измерялась методом ас-калорики. Прямые измерения адиабатического изменения температуры ДТа^ при изменении магнитного поля проводились модуляционным методом. Суть метода заключается в том, что к образцу прикладывается переменное магнитное поле, которое благодаря магнитокалорическому эффекту индуцирует периодическое изменение температуры образца. Это изменение температуры регистрируется синхронным детектором посредством дифференциальной термопары, один спай которой приклеен к исследуемому образцу, другой — к медному блоку. Частота изменения переменного магнитного поля в данном эксперименте составляла 0.2 Гц. Данная методика позволяет регистрировать изменение температуры с точностью не хуже 10-3 К. Переменное магнитное поле напряжённостью 1.8 Тл создавалось источником магнитного поля производства фирмы АМТиС.
2. Результаты и обсуждение
На рис. 1 представлены результаты температурной зависимости теплоёмкости для системы Ьа0.78г0 3-жВажМпО3 при Н = 0 и Н = 1.8 Тл. Для всех образцов наблюдаются ярко выраженные аномалии, связанные с фазовым переходом ФМ-ПМ, с максимумом при температурах Тс = 362, 343, 324 и 280 К соответственно для х = 0, 0.02, 0.05 и 0.1. Как видим из рис. 1, магнитное поле подавляет аномалии и смещает температуру максимума в сторону высоких температур, сглаживая тем самым аномалии. Следует также отметить, что увеличение концентрации Ва приводит к смещению Тс в сторону низких температур. Связано это с увеличением обменных взаимодействий, ферромагнетизмом и характерным для манганитов монотонным ростом величины аномальной части [3; 4; 9]. Максимум эффекта наблюдается для образца х = 0.2.
Из данных теплоёмкости были получены температурные зависимости аномальной части теплоёмкости и изменения энтропии фазового перехода при Н = 0. На рис. 2 приведены температурная зависимость аномальной части теплоёмкости ДСр (Т) = Ср — Св (Св - решёточный вклад) для системы Ьа0.78г0 3-жВажМпО3 (х = 0, 0.02, 0.05, 0.10) и температурная зависимость изменения энтропии фазового перехода (Н = 0) в нулевом магнитное поле. Как видно из рис. 2 (слева) максимальное значение скачка теплоёмкости в области фазового перехода составляет ДСр ~ 28 Дж/моль-К для образца с х = 0 и минимальное значение ДСР ~ 12 Дж/моль-К наблюдается для образца с х = 0.1.
На рис. 2 (справа) показаны температурные зависимости изменения энтропии, связанного с разупорядочением магнитной системы при фазовом переходе ферромагнетик-парамагнетик, которые определялись по формуле Д£* (Т) = / (ДСр/Т) ^Т. Значение Д£* для системы Ъа0.78^.3—хВахМпОз изменяется от 1.20 до 2.38 Дж/моль-К (рис.3), что сильно меньше идеальных значений для Изинга (Д$* = Я 1п2 = 5.7 Дж/моль-К) и Гейзенберга (Д$* = Я 1п4 = 11.52 Дж/моль-К) [10]. Такого рода расхождение экспериментальных данных и теоретических оценок Д£* характерно для манганитов и может быть связано с рядом причин, которые обсуждались в литературе [11-14].
Теплоёмкость и магнитокалорический эффект в манганитах La0.7SrxBa0.3-xMnO3 89
Рис. 1. Температурная зависимость теплоёмкости для Ьа0.7$г0.3-хВахМп03 (х = 0, 0.02, 0.05, 0.10) в магнитном поле 1.8 Тл
Рис. 2. Аномальная часть теплоёмкости для системы Ьа0.78г0 3-хВахМп03 при Н = 0 (слева).
Температурная зависимость изменения энтропии фазового перехода при Н = 0 (справа)
На рис. 3 приведены результаты температурной зависимости МКЭ для Ьа0.7Яг0.3-ЖВахМпО3 (х = 0, 0.02, 0.05, 0.10) при Н = 0 и Н =1.8 Тл. Как видим из рис. 2, с ростом концентрации Ва температура максимума эффекта смещается в сторону низких температур, что хорошо согласуется с данными теплоёмкости (рис. 1). Максимальная величина прямого эффекта в поле 1.8 Т равна ДТ = 0.86 К и наблюдается для образца Ьа0.7Яг0.28Ва0.02МпО3 при Т = 343 К. Следует отметить, что для образцов с х = 0, 0.02 и 0.05 величина МКЭ слабо меняется с допированием и колеблется в пределах ДТ ^ 0.8 К. При этом Тс смещается более чем на 40 К. Это означает, что путём регулирования уровня замещения можно управлять Тс в широкой области температур, при этом величина МКЭ остаётся практически неизменной.
На рис. 3 также приведены результаты температурной зависимости изменения магнитной части энтропии, которые были получены из данных по теплоёмкости и
Т (К) Т(К)
Рис. 3. а) Температурная зависимость МКЭ для Lao.7Sr0.3-xBaxMnO3 (x = 0, 0.02, 0.05, 0.10) в магнитном поле 1.8 Т. b) Температурные зависимости изменения магнитной части энтропии для La0.7Sr0 3-xBaxMnO3 (x = 0.02, 0.05, 0.10) в магнитном поле 1.8 Т
МКЭ, по формуле ASM = ATadCP (T, H) /T, где ATad — экспериментальные данные прямых измерений, CP (T, H) — температурная зависимость теплоёмкости в магнитном поле для систем La0.7Sr0.3-xBaxMnO3 (x = 0, 0.02, 0.05, 0.10) в магнитном поле 1.8 Тл.
Выводы
Прямые и косвенные методы использовались для изучения магнитокалориче-ских свойств в манганитах La0.7Sr0 3-xBaxMnO3 (x = 0, 0.02, 0.05, 0.1) в интервале температур 80-400 К и магнитных полях 1.8 Тл. Исследованы температурные зависимости теплоёмкости при H = 0 и H = 1.8 Тл. Из данных, полученных при исследовании серии образцов La0.7Sr0 3-xBaxMnO3, можно сделать вывод, что с ростом концентрации Ba температура максимума эффекта смещается в сторону низких температур. Это хорошо видно на кривых теплоёмкости и из данных исследования магнитокалорического эффекта. Максимальная величина прямого эффекта в поле 1.8 Тл равна AT = 0.86 К и наблюдается для образца La0.7Sr0.28Ba0.02MnO3 при T = 343 K. Для образцов с x = 0, 0.02 и 0.05 величина МКЭ слабо меняется с допированием и колеблется в пределах AT ^ 0.8 K. При этом TC смещается более чем на 40 K. Это означает, что путём регулирования уровня замещения можно управлять TC в широкой области температур, при этом величина МКЭ остаётся практически неизменной, что является важным преимуществом для магнитокалорических материалов.
Список литературы
1. PhanM. H., YuS.C. Review of the magnetocaloric effect in manganite materials // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2007. Vol. 308. P. 325-340.
2. SandemanK.G. Magnetocaloric materials: The search for new systems // Scripta Materialia. 2012. Vol. 67. P. 566-571.
3. PhamY., Thanh T.D., ManhT.V., DungN.T., ShonW.H., RhyeeJ.S.,
KimD.-H., YuS.-C. Magnetocaloric effect and the change from first- to second-order magnetic phase transition in Pr0 7CaxSr0 3-xMnO3 polycrystalline compounds // AIP Advances. 2018. Vol. 8. P. 101417.
4. Gamzatov A. G., AlievA. M., Yen P. D.H., HauK.X., Kamaludinova Kh. E., ThanhT.D., DungN.T., YuS.-C. Magnetocaloric effect in La0.7-xPrxSr0.3MnO3
Теплоёмкость и магнитокалорический эффект в манганитах Lao.7SrxBao.3-xMnO3 91
manganites: Direct and indirect measurements // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2019. Vol. 474. P. 477-481.
5. CohnJ.L. Electrical and thermal transport in perovskite // Manganites Journal of Superconductivity. 2000. Vol. 13, no. 2. P. 291-304.
6. Salamonm M. B., Jaime M. The physics of manganites: Structure and transport // Reviews of Modern Physics. 2001. Vol. 73, no. 3. P. 583.
7. Batdalov A. B., Gamzatov A. G., AlievA.M., Abdulkadirova N., Yen P. D.H., Thanh T.D., DungN. T., YuS.-C. Magnetocaloric properties in the Pro.7Sro.3-xCaxMnO3: Direct and indirect estimations from thermal diffusivity data // Journal of Alloys and Compounds. 2019. Vol. 782. P. 729-734.
8. PhamY., YuY.K., ManhT.V., Gamzatov A., Tartakovsky D. M., YuS.-C., YangD.-S., KimD.-H. Structural and magnetic properties control of Pr0.7Ba0.3MnO3 with Sr-doping // Physics of the Solid State. 2020. Vol. 62. P. 845-850.
9. Tachibana M., Takayama-Muromachi E. Thermal conductivity of colossal magnetoresistive manganites (La1-xNdx)0.7Pb0.3MnO3 // Applied Physics Letters. 2008. Vol. 92, no. 24. P. 242507.
10. MoritomoY., MachidaA., NishiboriE., TakataM., SakataM. Enhanced specific heat jump in electron-doped CaMnO3: Spin ordering driven by charge separation // Physical Review B. 2001. Vol. 64. P. 214409.
11. LeesM. R., Petrenko O. A., Balakrishnan G., PaulD.M. Specific heat of Pr0.e(Cai_xSrx)0.4MnO3 (0 < x < 1) // Physical Review B. 1999. Vol. 59. P. 1298-1303.
12. AlievA.M., Batdalov A. B., Gamzatov A. G. Thermophysical properties of the manganites (Nd,Sm,Eu)0.55Sr0.45MnO3 // Low Temperature Physics. 2010. Vol. 36. P. 171.
13. Gamzatov A. G., Batdalov A. B., KamilovI.K., KaulA.R., BabushkinaN. A.
Resistivity, specific heat, and magnetocaloric effect of La0.8Ag0.1MnO3: Effect of isotopic substitution of 16O ^ 18O // Applied Physics Letters. 2013. Vol. 102. P. 032404.
14. Gamzatov A. G., Batdalov A. B., AlievA.M., Khurshilova Z., EllouzeM., Ben Jemma F. Specific heat, thermal diffusion, thermal conductivity and magnetocaloric effect in Pr0.6Sr0.4Mn1_xFexO3 manganites // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2017. Vol. 443. P.352-357.
Поступила в редакцию 21.11.2020. После переработки 15.02.2021.
Сведения об авторах
Гаджиев Арсен Багандалиевич, инженер-исследователь лаборатории математического моделирования конденсированных сред, Институт физики им. Х. И. Амирханова ДФИЦ РАН, Махачкала, Россия.
Гамзатов Адлер Гудретдинович, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории физики низких температур и магнетизма, Институт физики им. Х. И. Амирханова ДФИЦ РАН, Махачкала, Россия; e-mail: [email protected]. Батдалов Ахмед Батдалович, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник лаборатории физики низких температур и магнетизма, Институт физики им. Х. И. Амирханова ДФИЦ РАН, Махачкала, Россия; e-mail: [email protected]. Алиев Ахмед Магомедович, кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией физики низких температур и магнетизма, Институт физики им. Х. И. Амирханова ДФИЦ РАН, Махачкала, Россия; e-mail: [email protected]. Нанто Дви, доктор наук, преподаватель факультета естественных наук, Государственный исламский университет им С. Хидайятуллы, Джакарта, Индонезия; e-mail: [email protected].
Курниаван Будхи, доктор наук, преподаватель физического факультета, Университет Индонезии, Джакарта, Индонезия; e-mail: [email protected]. Юу Сион-Чо, доктор наук, профессор Школы естественных наук, Национальный институт науки и технологий Ульсана, Ульсан, Южная Корея; e-mail: [email protected]. Ким Дон-Хьён, доктор наук, профессор кафедры физики, Национальный университет Чунгбук, Чхонджу, Южная Корея; e-mail: [email protected].
tenroemkoctb h marhhtoka.nophheckhh э^^ект b mahrahhtax lao.7srxbao.3-xmno3
93
Chelyabinsk Physical and Mathematical Journal. 2021. Vol. 6, iss. 1. P. 87-94.
DOI: 10.47475/2500-0101-2021-16107
HEAT CAPACITY AND MAGNETOCALORIC EFFECT IN MANGANITES La0 7Sr0 3-xBaxMnO3
A.B. Gadzhiev1, A.G. Gamzatov1", A.B. Batdalov1b, A.M. Aliev1c, D. Nanto2, B. Kurniawan3, S.-C. Yu4, D.-H. Kim5
1Amirkhanov Institute of Physics, DSC of RAS, Makhachkala, Russia 2Syarif Hidayatullah State Islamic University, Jakarta, Indonesia
3 Universitas Indonesia, Jakarta, Indonesia
4 Ulsan National Institute of Science and Technology, Ulsan, South Korea
5 Chungbuk National University, Cheongju, South Korea
"[email protected], [email protected], [email protected]
Results of an experimental study of the heat capacity (Cp), as well as direct and indirect measurements of the MCE (AT, AS) of La0.7Sr0.3_xBaxMnO3 samples (x = 0, 0.02, 0.05, 0.10) in the temperature range 80-400 K and in magnetic fields up to 1.8 T are presented. It is shown that the partial substitution of barium (Ba) for strontium (Sr) shifts TC and insignificantly decreases the magnetocaloric effect. The maximum value of the change in entropy in a field of 1.8 T is AS = 1.6 J/kg-K for x = 0.02. The entropy change associated with the disordering of the magnetic system during the ferromagnetic-paramagnetic phase transition is estimated.
Keywords: magnetocaloric effect, heat capacity, manganites, phase transitions.
References
1. PhanM.H., YuS.C. Review of the magnetocaloric effect in manganite materials. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2007, vol. 308, pp. 325-340.
2. SandemanK.G. Magnetocaloric materials: The search for new systems. Scripta Materialia, 2012, vol. 67, pp. 566-571.
3. PhamY., ThanhT.D., ManhT.V., DungN.T., ShonW.H., RhyeeJ.S., Kim D.-H., YuS.-C. Magnetocaloric effect and the change from first- to second-order magnetic phase transition in Pr0.7CaxSr0.3-xMnO3 polycrystalline compounds. AIP Advances, 2018, vol. 8, p. 101417.
4. Gamzatov A.G., AlievA.M., YenP.D.H., Hau K.X., Kamaludinova Kh.E., ThanhT.D., DungN.T., YuS.-C. Magnetocaloric effect in La0.7-xPrxSr0.3MnO3 manganites: Direct and indirect measurements. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2019, vol. 474, pp. 477-481.
5. CohnJ.L. Electrical and thermal transport in perovskite. Manganites Journal of Superconductivity, 2000, vol. 13, no. 2, pp. 291-304.
6. Salamonm M.B., Jaime M. The physics of manganites: Structure and transport. Reviews of Modern Physics, 2001, vol. 73(3), pp. 583.
7. BatdalovA.B., GamzatovA.G., AlievA.M., AbdulkadirovaN., YenP.D.H., Thanh T.D., DungN.T., YuS.-C. Magnetocaloric properties in the Pr0.7Sr0.3-xCaxMnO3: Direct and indirect estimations from thermal diffusivity data. Journal of Alloys and Compounds, 2019, vol. 782, pp. 729-734.
8. PhamY., Yu Y.K., ManhT.V., Gamzatov A., Tartakovsky D.M., YuS.-C., YangD.-S., Kim D.-H. Structural and magnetic properties control of Pr0.7Ba0.3MnO3 with Sr-doping. Physics of the Solid State, 2020, vol. 62, pp. 845-850.
The study is supported by a grant of the Russian Science Foundation, project 18-12-00415.
9. TachibanaM., Takayama-Muromachi E. Thermal conductivity of colossal magnetoresistive manganites (La1-xNdx)0.7Pb0.3MnO3. Applied Physics Letters, 2008, vol. 92, no. 24, p. 242507.
10. MoritomoY., Machida A., NishiboriE., TakataM., SakataM. Enhanced specific heat jump in electron-doped CaMnO3: Spin ordering driven by charge separation. Physical Review B, 2001, vol. 64, p. 214409.
11. LeesM.R., Petrenko O.A., Balakrishnan G., Paul D.M. Specific heat of Pro.e(Cai-xSrx)o.4MnÜ3 (0 < x < 1). Physical Review B, 1999, vol. 59, pp. 1298-1303.
12. AlievA.M., Batdalov A.B., GamzatovA.G. Thermophysical properties of the manganites (Nd,Sm,Eu)0.55Sr0.45MnO3. Low Temperature Physics, 2010, vol. 36, p. 171.
13. GamzatovA.G., Batdalov A.B., KamilovI.K., KaulA.R., Babushkina N.A. Resistivity, specific heat, and magnetocaloric effect of La0.8Ag0.1MnO3: Effect of isotopic substitution of 16O ^ 18O. Applied Physics Letters, 2013, vol. 102, p. 032404.
14. GamzatovA.G., Batdalov A.B., AlievA.M., Khurshilova Z., EllouzeM., Ben Jemma F. Specific heat, thermal diffusion, thermal conductivity and magnetocaloric effect in Pr0.6Sr0.4Mn1-xFexO3 manganites. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2017, vol. 443, p. 352-357.
Accepted article received 21.11.2020.
Corrections received 15.02.2021.
