PREPARAZIONE E CARATTERIZZAZIONE DI PREPARAZIONE E CARATTERIZZAZIONE DI COMPOSTI INTERMETALLICI RT3 E STUDIO COMPOSTI INTERMETALLICI RT3 E STUDIO

DELL’EFFETTO MAGNETOCALORICO IN DELL’EFFETTO MAGNETOCALORICO IN CORRISPONDENZA DI TRANSIZIONI CORRISPONDENZA DI TRANSIZIONI

MAGNETICHEMAGNETICHE

Laureando: Pierpaolo LupoRelatore: Massimo SolziCorelatore: Nicola Magnani

Anno Accademico 2005/2006 Corso di Laurea triennale in Scienza e Tecnologia dei Materiali

Titolo dell’elaborato finale:

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI PARMAFACOLTA’ DI SCIENZE MM. FF. NN.

Risposta termica di un materiale magnetico ad una Risposta termica di un materiale magnetico ad una variazione del campo magnetico applicato variazione del campo magnetico applicato Si manifesta con una variazione della temperatura, all’ Si manifesta con una variazione della temperatura, all’ accensione o spegnimento di campo magnetico.accensione o spegnimento di campo magnetico.E’ maggiore in presenza di transizioni magnetiche E’ maggiore in presenza di transizioni magnetiche Fu scoperto da Warburg nel 1881Fu scoperto da Warburg nel 1881Nel 1926 Giaque e Debye diedero una spiegazione teoricaNel 1926 Giaque e Debye diedero una spiegazione teoricaNel 1933 Giaque e Mc Dougall crearono la prima Nel 1933 Giaque e Mc Dougall crearono la prima macchina per la refrigerazione utilizzando un paramagnete.macchina per la refrigerazione utilizzando un paramagnete.Pecharsky e Gschneider, nel 1997, scoprirono un grande Pecharsky e Gschneider, nel 1997, scoprirono un grande MCE nelle leghe di gadolinio (Gd)MCE nelle leghe di gadolinio (Gd)Nel 1998 primo prototipo di macchina refrigeranteNel 1998 primo prototipo di macchina refrigerante nei laboratori della Astronautics (Zimm).nei laboratori della Astronautics (Zimm).

dHH

Sdp

p

SdT

T

SdS

pTHTHp ,,,

pHpT

m

T

HTM

H

HTS

,,

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dHT

HTMHTS

f

i

H

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m

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M

C

TdT

pHHp ,,

dHT

M

TC

HTTHT

pH

H

HHp

f

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HTSC

THTT

pH

Individuare nuovi materiali che manifestino un elevato MCE vicino a temperatura ambiente, con piccole “spazzate” di campo magnetico.

Studiare la variazione di entropia in corrispondenza di particolari transizioni di fase magnetica nelle quali la variazione è massima.

Studiare, in particolare, composti intermetallici RT3, in cui sono presenti diverse le transizioni magnetiche.

dT

dM

Tutti i composti dei metalli con le terre rare sono definiti intermetalli.Terre rare pesanti, terre rare leggereVantaggi degli intermetallici

Le interazioni in composti intermetallici sono di tre tipi

Terra rara- terra rara

Molto deboleTerra rara- metallodefinisce l’accoppiamento deisottoreticoli magnetici

Metallo- metalloPiù forte, influenza la Tc

ErFe3

Tc=551K; Tcomp=224K

Ho0.5Er0.5Fe3

Tc=560K;Tcomp=303K

Ferromagnete – paramagnete avviene alla temperatura di Curie (Tc). Transizione ordine- disordine.Secondo ordine Transizioni in ferrimagneti alla temperatura di compensazione (Tcomp). Transizione ordine- ordine.Primo ordine.

Materiali studiati:

Forno ad arco

Annealing:trattamento termico in atmosfera inerte.

TMAAnalisi termomagnetica sopra dei 273K. Variazione di flusso magnetico indottain una coppia di bobine pick-up

Suscettometro ACAnalisi termomagnetica fino A 5K.

SQUID (superconducting quantum interference device).Elevata sensibilità che permette di misurare variazioni nella corrente di pick-up pari ad una parte su un milione e quindi avere una misura della magnetizzazione altrettanto accurata.Magnete superconduttore in elio liquido.

Magnetometro a pendolo stazionarioIl campione appeso ad un’asta è posto in uncampo magnetico non uniforme.La forza necessaria a stabilizzare l’asta è proporzionale alla magnetizzazione

SPD (Singular Point Detection ) in campo pulsatoPermette di misurare il campo d’anisotropia per campioni policristallini fino alla temperatura dell’azoto liquido.

Misure magnetiche I

TERMOMAGNETICHE

H

HTMT

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)(

TMASuscettometro AC

 fig.5. Suscettività vs temperatura ErFe3

Misure magnetiche II

T

M

MAGNETIZZAZIONE ISOTERMA

SQUID

MAGNETOMETRO APENDOLO STAZIONARIO

Misure magnetiche III

ANISOTROPIA IN CAMPO PULSATO

SPD

Fig.10. SPD di ErFe3

H=HA

  Tc 1:3 (K) Tc 6:23 (K) Tc Fe (K) Tcomp 1:3 (K)

ErFe3 551 (552) 501 1044 (1043) 224 (228)

  Tc 1: 3 (K) Tc 6: 23 (K). Tc Fe (K) Tcom 1:3 (K)

Ho0.5 Er0.5Fe3. 560 508,5 1044 (1043) 303

Variazioni della Variazioni della TTcomp in funzione del comp in funzione del campo applicato per ErFe3campo applicato per ErFe3

100 Oe 10000 Oe

235 K 225 K

MISURE DI MCE ALLA TcompMisure dirette sono realizzate attraverso la misura della temperatura del campione sottoposto ad un campo magnetico HI e HF, in condizioni adiabaticheMisure indirette consistono nel calcolare da misure di magnetizzazione effettuate per differenti isoterme in funzione di H variabile tra HI e HF

HM TS )(

dHT

HTMHTS

f

i

H

HpH

m

,

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MISURE DI MCE ALLA Tcomp

dHT

HTMHTS

f

i

H

HpH

m

,

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MCE temperatura di Curie

Passaggio tra due fasi ordinate ferrimagneticheBassa variazione dell’entropia, positiva. Basso effetto magnetocalorico, inverso.Picco “asimmetrico”, funzione a gradino L’olmio nella struttura dell’ErFe3 ha incrementato la variazione dell’entropia Fattori “mitiganti”: presenza di fasi spurie nel materiale

C

M T

HS

Transizione del primo ordineTransizione del primo ordine

  TComp(K)

( 0.01T)

Tcomp(K)(1T) i(emu/gr) f(emu/gr)

ErFe3 235 225 47,57 46,19

  ΔS(emuT/grK) massa(gr)

ErFe3 0,136 0,010

ΔS(ErFe3 ): 0,11 J/KgK

ΔS (Ho0.5Er0.5Fe3

:0,3J/KgK.Campo variabile da 0-2T

CONCLUSIONITransizione alla temperatura

ambienteMCE<0, inverso

MCE non zero in ampio intervallo di temperaturaControllo della Tcomp

stechiometricoBasso costo e facilità di

produzione

RINGRAZIAMENTI Prof. Massimo Solzi (Dip. Fisica)Prof. Massimo Solzi (Dip. Fisica)

Dott. Nicola Magnani (IMEM-CNR Parma)Dott. Nicola Magnani (IMEM-CNR Parma)

Dott. Luigi Pareti (IMEM-CNR Parma)Dott. Luigi Pareti (IMEM-CNR Parma)

Dott. Antonio Paoluzi (IMEM-CNR Parma)Dott. Antonio Paoluzi (IMEM-CNR Parma)

Dott.ssa Franca Albertini (IMEM-CNR Parma)Dott.ssa Franca Albertini (IMEM-CNR Parma)

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HTSC

THTT

pH

S

T0 T1

T

A H0

D

H1

B

C

Pierpaolo:A-B magnetizzazione il materiale subisce una variazione di entropia

B-C il calore è trasferito dal materiale all’esterno

C-D demagnetizzazione aumento di entropia

D-A assorbimento di calore dall’ambiente interno.

Pierpaolo:A-B magnetizzazione il materiale subisce una variazione di entropia

B-C il calore è trasferito dal materiale all’esterno

C-D demagnetizzazione aumento di entropia

D-A assorbimento di calore dall’ambiente interno.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Fe % atomica di Erbio Er

1600 L

1200

800

1315°C 1330°C

1355°C 1345°C

1385°C 1360°C

915°C