JP2013149883A - Production method for large magnetocaloric material - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a production method for large magnetocaloric material, and to provide a large magnetocaloric material produced by this method.SOLUTION: The production method for large magnetocaloric material where ferromagnetism and feeble magnetism coexist in alternate atomic layers or at clear positions of whole material comprises: (a) a step of selecting 50 atom% or more of at least one kind of magnetic ions from Cr and Mn, Fe, Co, Ni; (b) a step of selecting less than 50 atom% of at least one kind of stabilization chemical element which is selected from P, As, Sb, Bi, Si, Ge, Sn, B, Al, Ga, In, Se; (c) a step of performing electronic structural calculation of a material thus selected; and (d) a step of determining whether or not a ferromagnetic ion which loses the magnetic order only at the Curie temperature and a feeble magnetic or meta-magnetic ion which loses at least 80% of magnetic moment at a temperature higher than the Curie temperature coexist in the alternate atomic layers of the material or on the clear positions of the whole material.

Description

本発明は、大磁熱材料の生成方法、この方法で得られる大磁熱材料、および磁熱的熱ポンプ、磁熱的電力変換装置、アクチュエータまたは磁気的スイッチ中でその利用に関する。   The present invention relates to a method for producing a large magnetothermal material, a large magnetothermal material obtained by this method, and its use in a magnetothermal heat pump, magnetothermal power converter, actuator or magnetic switch.

資源が有限であるため、またよりよい繁栄のために、エネルギーの効率的な利用が求められる。エネルギーと気候変動に関するUN諮問グループは、2030年までに利用効率の40%の改善を行う目標を推奨している。この目標に達するには材料の研究が極めて重要である。磁気冷凍は、蒸気圧縮冷凍より50%高いエネルギー効率を達成する可能性を持っている。このため磁気冷凍が近年注目を集める技術となっている。磁気冷凍は磁熱効果(magnetocaloric effect, MCE)によるものである。外部磁界が加えられたり除かれると、磁気系と結晶格子との間でのエントロピーの移動ΔSにより、固体磁性材料は加熱されるか冷却される。反対向きのプロセスでは、熱磁気発生器により熱が電気に変換される。Kirol、L.D. and J.I. Mills, 「熱磁気発生器の数値解析」、J. Appl. Phys.,56、824− 828 (1984)を参照。この装置は、「排熱」から、即ち現在使用せずに環境中に放出されている熱から電気を発生させるのに使用できる。したがって効率的な磁熱材料はエネルギー消費の大幅な削減に寄与する。   Due to the limited resources and better prosperity, efficient use of energy is required. The UN Advisory Group on Energy and Climate Change recommends the goal of improving utilization efficiency by 40% by 2030. Material research is extremely important to reach this goal. Magnetic refrigeration has the potential to achieve 50% higher energy efficiency than vapor compression refrigeration. For this reason, magnetic refrigeration has become a technology that attracts attention in recent years. Magnetic refrigeration is due to the magnetocaloric effect (MCE). When an external magnetic field is applied or removed, the solid magnetic material is heated or cooled by the entropy movement ΔS between the magnetic system and the crystal lattice. In the opposite process, heat is converted to electricity by a thermomagnetic generator. Kirol, L.M. D. and J. et al. I. Mills, “Numerical analysis of thermomagnetic generators”, J. Am. Appl. Phys. 56, 824-828 (1984). This device can be used to generate electricity from "exhaust heat", that is, heat that is released into the environment without currently being used. Therefore, an efficient magnetothermal material contributes to a significant reduction in energy consumption.

磁性体中での格子自由度とスピン自由度との間の効率的なカップリングを冷凍とエネルギー変換に使用できる。大磁熱効果を示す材料ではこのカップリングが大きい。   Efficient coupling between lattice and spin degrees of freedom in magnetic materials can be used for refrigeration and energy conversion. This coupling is large for materials exhibiting a large magnetothermal effect.

Gd5(Si,Ge)4が大きなMCEをもつことが発見された後、数多くの一次磁気的相転移(FOMT)を示す磁熱材料が熱心に探求された。これらの材料中では、このFOMTが磁気的相転移の近くで磁熱効果を増強する。したがって、最大の等温的エントロピー変化は、しばしば、二次磁気的相転移を示す基準材料Gdの値よりかなり大きい。異なるTcをもつ材料を直列に組み合わせて、Gdよりも高い効率や大きな温度スパンが得られた。最適の性能のためには、このような複合化物蓄熱材中で用いる材料が、温度の関数として一定のエントロピー変化を示すには、非常によく似た磁熱的性質をもっている必要がある。Rowe、A. & Tura、A. 「三層積層活性磁性蓄冷材の試験的検討」、Int. J. Refrigeration 29, 1286−1293 (2006)を参照。FOMTにしばしば見受けられる大きな熱的ヒステリシスは、冷凍サイクルでの利用に大きな障害となる。熱ヒステリシスと磁場ヒステリシスは一次材料に固有の性質である。しかしながら、このヒステリシスの大きさが系の微細構造あるいはひずみに大きく依存していることがある。 After Gd 5 (Si, Ge) 4 was found to have a large MCE, magnetothermal materials exhibiting a number of first order magnetic phase transitions (FOMT) were eagerly sought. In these materials, this FOMT enhances the magnetothermal effect near the magnetic phase transition. Thus, the maximum isothermal entropy change is often much greater than the value of the reference material Gd that exhibits a second order magnetic phase transition. Combining materials with different Tc in series resulted in higher efficiencies and greater temperature spans than Gd. For optimal performance, materials used in such composite heat storage materials need to have very similar magnetothermal properties in order to exhibit a constant entropy change as a function of temperature. Rowe, A.M. & Tura, A.A. “Trial study of three-layer laminated active magnetic regenerator”, Int. J. et al. See Refrigeration 29, 1286-1293 (2006). The large thermal hysteresis often found in FOMT is a major obstacle to use in the refrigeration cycle. Thermal hysteresis and magnetic field hysteresis are inherent properties of primary materials. However, the magnitude of this hysteresis can be highly dependent on the microstructure or strain of the system.

従って、現在もなお、大磁熱効果を示し、磁熱的熱ポンプ、磁熱的電力変換装置、アクチュエータまたは磁気的スイッチ中で使用可能な磁熱材料が探索されている。   Therefore, there is still a search for magnetothermal materials that still exhibit large magnetothermal effects and that can be used in magnetothermal heat pumps, magnetothermal power converters, actuators or magnetic switches.

Kirol、L.D. and J.I. Mills, 「熱磁気発生器の数値解析」、J. Appl. Phys.,56、824− 828 (1984)Kirol, L.M. D. and J. et al. I. Mills, “Numerical analysis of thermomagnetic generators”, J. Am. Appl. Phys. 56, 824-828 (1984). Rowe、A. & Tura、A. 「三層積層活性磁性蓄冷材の試験的検討」、Int. J. Refrigeration 29, 1286−1293 (2006)Rowe, A.M. & Tura, A.A. “Trial study of three-layer laminated active magnetic regenerator”, Int. J. et al. Refrigeration 29, 1286-1293 (2006)

本発明の目的は、上記用途に好ましく使用できる大磁熱材料の製造方法を提供することである。   The objective of this invention is providing the manufacturing method of the large magnetothermal material which can be preferably used for the said use.

本発明の目的は、強磁気と弱磁気が交互の原子層でまたは材料全体の明確な位置で共存している大磁熱材料の生成方法であって、
a)CrとMn、Fe、Co、Niからなる群から選ばれる少なくとも一種の磁気的イオンを、50原子%を超える量で選ぶステップと、
b)P、As、Sb、Bi、Si、Ge、Sn、B、Al、Ga、In、Seからなる群から選ばれる少なくとも一種の安定化化学元素を、50原子%未満の量で選ぶステップ(磁気的イオンと安定化化学元素の合計原子%は100原子%である)と、
c)選ばれた材料の電子的な構造計算を行うステップと、
d)材料の交互の原子層内にまたは全材料の明確な位置上にキュリー温度でのみその磁気秩序を失う強磁性イオンとキュリー温度より上では少なくとも80%の磁気モーメントを失う弱磁性またはメタ磁性イオンとが共存しているかどうかを決定するステップ
からなる生成方法で達成される。
An object of the present invention is a method for producing a large magnetocaloric material in which strong and weak magnetism coexist in alternating atomic layers or in a clear position of the entire material,
a) selecting at least one magnetic ion selected from the group consisting of Cr and Mn, Fe, Co, Ni in an amount exceeding 50 atomic%;
b) selecting at least one stabilizing chemical element selected from the group consisting of P, As, Sb, Bi, Si, Ge, Sn, B, Al, Ga, In, and Se in an amount of less than 50 atomic% ( The total atomic% of magnetic ions and stabilizing chemical elements is 100 atomic%),
c) performing an electronic structure calculation of the selected material;
d) Ferromagnetic ions that lose their magnetic order only at the Curie temperature in alternating atomic layers of the material or on well-defined positions of the whole material and weak magnetism or metamagnetism that loses at least 80% of the magnetic moment above the Curie temperature This is achieved by a production method comprising the step of determining whether or not ions coexist.

なお、この二つのイオン種が共存することで大磁熱効果が得られるものである。   It is to be noted that a large magnetothermal effect can be obtained by the coexistence of these two ion species.

本目的はさらに、上記の方法で生成した大磁熱材料で達成される。   This object is further achieved with a large magnetocaloric material produced by the above method.

また本目的は、強磁気と弱磁気が交互の原子層でまたは材料全体の明確な位置で共存している大磁熱材料により達成される。   This object is also achieved by a large magnetocaloric material in which strong and weak magnetism coexist in alternating atomic layers or at well-defined positions throughout the material.

また本目的は、磁熱的熱ポンプ、磁熱的電力変換装置、アクチュエータまたは磁気的スイッチ中でのこれらの大磁熱材料の利用により達成される。   This object is also achieved by the use of these large magnetothermal materials in magnetothermal heat pumps, magnetothermal power converters, actuators or magnetic switches.

本発明者による冷凍とエネルギー変換用の混合磁気についての対応する論文が、Adv. Energy Mater. 2011, 1, 1215−1219で公開されている。   A corresponding paper by the inventor on mixed magnetism for refrigeration and energy conversion is described in Adv. Energy Mater. 2011, 1, 1215-1219.

本発明により、強磁気と弱磁気が交互の原子層でまたは材料全体の明確な位置で共存している大磁熱材料料が大磁熱効果をもつことが明らかとなった。   According to the present invention, it has been clarified that a large magnetothermal material material in which strong magnetism and weak magnetism coexist in alternating atomic layers or in a clear position of the entire material has a large magnetothermal effect.

これは、特に、CrとMn、Fe、Co、Niからなる群から選ばれる少なくとも一種の磁性イオンが存在する材料に当てはまる。この第一の種類の磁性イオンは、磁熱材料中に50原子%を超える量で存在する。   This is particularly true for materials in which there is at least one magnetic ion selected from the group consisting of Cr and Mn, Fe, Co, and Ni. This first type of magnetic ion is present in the magnetothermal material in an amount greater than 50 atomic percent.

安定化化学元素は、PとAs、Sb、Bi、Si、Ge、Sn、B、Al、Ga、In、Seからなる群から選ばれる。これらの安定化化学元素は、磁熱材料中に50原子%未満の量で存在する。   The stabilizing chemical element is selected from the group consisting of P and As, Sb, Bi, Si, Ge, Sn, B, Al, Ga, In, and Se. These stabilizing chemical elements are present in the magnetothermal material in an amount of less than 50 atomic percent.

いずれの場合も、磁性イオンと安定化化学元素の合計の原子%が100原子%である。   In any case, the total atomic% of magnetic ions and stabilizing chemical elements is 100 atomic%.

電子的構造計算は、バンド構造計算であることが好ましい。   The electronic structure calculation is preferably a band structure calculation.

この電子的構造計算は、以下に述べるように行われる。   This electronic structure calculation is performed as described below.

この電子的構造計算には市販のソフトウエアを使用することができる。典型的なソフトウエアプログラムがWien2kである。   Commercially available software can be used for the electronic structure calculation. A typical software program is Wien2k.

この電子的な構造計算で、材料の交互の原子層内にまたは全材料の明確な位置上にキュリー温度でのみその磁気秩序を失う強磁性イオンとキュリー温度より上では少なくとも80%の磁気モーメントを失う弱磁性またはメタ磁性イオンとが共存しているかどうかを決定することができる。   This electronic structure calculation gives a ferromagnetic ion that loses its magnetic order only at the Curie temperature in alternating atomic layers of the material or on well-defined positions of the whole material and a magnetic moment of at least 80% above the Curie temperature. It can be determined whether there is a weak magnetic or metamagnetic ion to lose.

この最後の条件が満足されるとその材料は大磁熱効果を示す。   If this last condition is satisfied, the material exhibits a large magnetothermal effect.

図1は、強磁性配置のマンガン(上)と鉄(下)の局所的な状態密度を示す。FIG. 1 shows the local density of states of manganese (top) and iron (bottom) in a ferromagnetic configuration. 図2は、z方向で反強磁性配置のマンガン(上)と鉄(下)の局所的な状態密度を示す。FIG. 2 shows the local density of states of manganese (top) and iron (bottom) in antiferromagnetic configuration in the z direction. 図3は、いくつかの典型的なMnxFe1.95-x1-ySiy化合物の0〜1Tの磁場変化の下(白抜き記号曲線)と0〜2Tの磁場変化の下(黒記号曲線)での等温磁気エントロピー変化を示す。比較のためにGd金属のデータを含める。3, some typical Mn x Fe 1.95-x P 1 -y Si y compound 0~1T under (open symbols curve) and 0~2T lower (closed symbols of the magnetic field change in the magnetic field change in Curve) shows the isothermal magnetic entropy change. Include Gd metal data for comparison.

本発明のある実施様態においては、この明確な位置は、その対称性と配置で区別される。即ち、これらは異なる対称性と配置をもつ。   In certain embodiments of the invention, this distinct position is distinguished by its symmetry and arrangement. That is, they have different symmetry and arrangement.

好ましくはこれらの明確な位置が、結晶格子の四面体及び八面体位置である。   Preferably these distinct positions are the tetrahedral and octahedral positions of the crystal lattice.

好ましい大磁熱材料はヤーン・テラー効果を示す。   A preferred large magnetocaloric material exhibits a yarn-teller effect.

バンド構造の変化は、通常共振スピン偏極光電子放出で検出できる。   The change in the band structure can be detected usually by resonant spin-polarized photoemission.

大磁熱材料の生成方法は、大磁熱材料を決定する又は発見する方法とみなすこともできる。工程d)では、大磁熱効果の要件が決定、調査、確認される。   The method for producing a large magnetothermal material can also be regarded as a method for determining or discovering a large magnetothermal material. In step d), the requirements for the large magnetothermal effect are determined, investigated and confirmed.

工程a)では、少なくとも一種の磁性イオンが選ばれ、好ましくは一個または二個の上記金属が選らばれる。上記金属の二個を選ぶことが特に好ましい。   In step a), at least one magnetic ion is selected, preferably one or two of the above metals. It is particularly preferred to select two of the above metals.

工程b)では、少なくとも一種の安定化化学元素が選ばれる。一個または二個の安定化化学元素が選ばれることが好ましい。   In step b), at least one stabilizing chemical element is selected. Preferably one or two stabilizing chemical elements are selected.

工程c)では、「電子的構造計算」は、広い意味で理解される。この電子的構造計算は、標準的なソフトウエアで、例えばWien2kで行われ、あるいは
Phys. Rev. B 41,5613 to 5626 (1990), J. Phys, C: Solid State Phys. 4, 2064 to 2083 (1971), J. Appl. Crystallogr. 41,653 to 658 (2008) and Phys. Rev. B 54, 11169 to 11186 (1996)に記載のようにして行われる。
In step c) “electronic structure calculation” is understood in a broad sense. This electronic structure calculation is performed with standard software, eg Wien2k, or Phys. Rev. B 41, 5613 to 5626 (1990), J. MoI. Phys, C: Solid State Phys. 4, 2064 to 2083 (1971), J. MoI. Appl. Crystallogr. 41, 653 to 658 (2008) and Phys. Rev. B 54, 11169 to 11186 (1996).

工程d)では、図1と図2に示すように強磁性配置と反強磁性配置の局所的な状態密度を分析することで強磁性イオンと弱磁性またはメタ磁性イオンが検出される。   In step d), ferromagnetic ions and weak magnetic or metamagnetic ions are detected by analyzing the local density of states of the ferromagnetic and antiferromagnetic configurations as shown in FIGS.

「強磁性」は、キュリー温度でのみ(強磁性)イオンがその磁気秩序を失うことを意味する。「弱磁性」は、(弱磁性またはメタ磁性)イオンがキュリー温度を超える温度でその磁気モーメントの少なくとも80%を失うことを意味する。したがって、キュリー温度では局所的な磁気モーメントは、実質的にすべてが消失する。   “Ferromagnetic” means that only at the Curie temperature (ferromagnetic) ions lose their magnetic order. “Weak magnetism” means that an ion (weak magnetism or metamagnetism) loses at least 80% of its magnetic moment at temperatures above the Curie temperature. Therefore, substantially all local magnetic moments disappear at the Curie temperature.

「大磁熱材料」は、Gd5(Si,Ge)4で最初に見出された種類の大磁熱効果を示す材料をいう。Phys. Rev. Lett. 78、4494〜4497 (1997)を参照。 “Large magnetothermal material” refers to a material that exhibits a large magnetothermal effect of the type first found in Gd 5 (Si, Ge) 4 . Phys. Rev. Lett. 78, 4494-4497 (1997).

「交互原子層」は、二層ごとに強磁性イオンが占め、他の二層ごとに弱磁性イオンが占める原子層配列をいう。   “Alternate atomic layer” refers to an atomic layer arrangement in which ferromagnetic ions occupy every two layers and weak magnetic ions occupy every other two layers.

「全材料の明確な位置」は、結晶格子中の特定の位置が強磁性イオンで占められ、特定の位置が弱磁性イオンで占められていることを意味する。例えばこの明確な位置は、結晶格子の四面体位置や八面体位置など、その対称性と配置により区別される。   “A clear position of all materials” means that a specific position in the crystal lattice is occupied by ferromagnetic ions and a specific position is occupied by weak magnetic ions. For example, this distinct position is distinguished by its symmetry and arrangement, such as the tetrahedral position and octahedral position of the crystal lattice.

新たな大磁熱材料を作るために、まずステップa)とb)が行われる。次いで、工程c)の電子的構造計算が実施され、交互原子層中の強磁性と弱磁性に関してその結果を分析する。工程d)でこのような交互原子層中での強磁性と弱磁性が認められると、その材料は、本発明の意味で大磁熱材料とみなされる。   Steps a) and b) are first performed in order to make a new large magnetocaloric material. The electronic structure calculation of step c) is then carried out and the results are analyzed for ferromagnetism and weak magnetism in alternating atomic layers. If ferromagnetism and weak magnetism are observed in such alternating atomic layers in step d), the material is regarded as a large magnetothermal material in the sense of the present invention.

工程d)で、強磁性と弱磁性をもつ交互原子層あるいは全材料中の明確な位置が無い場合、その材料は大磁熱材料とはみなされない。   If in step d) there is no alternating atomic layer with ferromagnetism and weak magnetism or a clear position in the whole material, the material is not considered a large magnetothermal material.

従って本発明の方法は大磁熱材料の同定と生成を可能とする。またバンド構造の変化は、共振スピン偏極光電子放出などの物理的な方法で検出可能である。   Thus, the method of the present invention allows the identification and generation of large magnetocaloric materials. The change in the band structure can be detected by a physical method such as resonant spin-polarized photoemission.

第一原理電子的構造計算では、例えば六方晶型MnFe(P,Si)に関する計算では、現在まで未知の磁性形態、即ち交互原子層での強磁性と弱磁性の共存を示す。Fe層の弱磁性(キュリー温度で局所的な磁気モーメントの消失)が結晶格子との強固な結合をもたらし、隣接するMn層の強磁性が、キュリー温度を充分高く維持して室温以上の温度での運転を可能とする。これらの磁気的部分格子での組成を変更することで、運転温度を細かく調整し、望まざる熱ヒステリシスを強く抑えることができる。このようにして、広く利用可能な元素から、効率的な冷凍またはエネルギー変換サイクルの要件に適合する性質を持つ新規の材料を設計することができる。   In the first-principles electronic structure calculation, for example, a calculation related to hexagonal MnFe (P, Si) shows an unknown magnetic form, that is, coexistence of ferromagnetism and weak magnetism in alternating atomic layers. The weak magnetism of Fe layer (disappearance of local magnetic moment at Curie temperature) brings about strong bond with crystal lattice, and the ferromagnetism of adjacent Mn layer keeps Curie temperature high enough at room temperature or higher. Can be operated. By changing the composition of these magnetic sublattices, it is possible to finely adjust the operating temperature and strongly suppress undesired thermal hysteresis. In this way, new materials can be designed from widely available elements that have properties that meet the requirements of efficient refrigeration or energy conversion cycles.

本明細書で、我々は、隣接格子面の弱磁性と強磁性の共存が大磁熱効果を誘導するという新規メカニズムを報告する。このメカニズムにより、例えばMn−Fe−P−Si系の広い領域において、例外的に優れた磁熱的性能を得ることができる。   Here, we report a novel mechanism in which the coexistence of weak magnetism and ferromagnetism on adjacent lattice planes induces a large magnetothermal effect. By this mechanism, exceptionally excellent magnetothermal performance can be obtained, for example, in a wide region of Mn—Fe—P—Si system.

Fe2P中で10%を超える量のPをSiで置換すると、その六方晶型結晶格子が斜方晶の結晶格子に変換される。FOMTを有するMnFeP0.5Si0.5は、室温近くで、四個の明確な格子位置をもつ六方晶型Fe2P型の構造で結晶化するが、35Kの熱ヒステリシスΔThysが使用を難しくする。Cam Thanh, D. T., Bruck, E., Trung, N. T., Klaasse, J. C. P., Buschow, K. H. J., Ou, Z. Q., Tegus, O. & Caron, L, 「MnFePt1-x Six化合物の構造、磁性、磁熱的性質」, J. Appl. Phys. 103,07B318 (2008)を参照のこと。他の多くの磁熱材料とは対照的に、この材料中での体積変化はむしろ小さく、主に六方格子のc/a比の変化が観測される。観測される磁熱効果の原因を解明するため、強磁性の基底状態について電子的構造計算を行うとともに、キュリー温度の挙動は、単位格子を二倍して(反強磁性配置を可能とする)得られる超格子でモデル化する。これらの計算で、マンガンが占める層が強磁性をもつことがわかり、キュリー温度でのみ磁気秩序が失われることがわかる。Mnモーメントの大きさは、強磁性相での2.8μBから常磁性相中の2.6μBに減少する。鉄層は弱い遍歴磁性を示す。強磁性の相でのFeモーメントは1.54μBであり、常磁性相ではこれが消失する(±0.003μB)。Tc未満の温度でのFe位置での非結合性電子密度は、Tcを超える温度でSi/Pと強く混成した分布にシフトする。鉄の位置でのモーメントの消失はエネルギーの関数としての部分的状態密度からも明らかである。マンガンとは極めて対照的に、キュリー温度を超えると、二つのスピン方向で同じ極性を示す。 When more than 10% of P is substituted with Si in Fe 2 P, the hexagonal crystal lattice is converted to an orthorhombic crystal lattice. MnFeP 0.5 Si 0.5 with FOMT crystallizes in a hexagonal Fe 2 P structure with four distinct lattice positions near room temperature, but the thermal hysteresis ΔT hys of 35K makes it difficult to use. Cam Thanh, D.C. T. T. et al. Brook, E .; Trung, N .; T. T. et al. , Klaasse, J .; C. P. Buschuw, K .; H. J. et al. , Ou, Z .; Q. Tegus, O .; & Caron, L, “Structure, magnetism and magnetothermal properties of MnFePt 1-x Si x compounds”, J. et al. Appl. Phys. 103,07B318 (2008). In contrast to many other magnetothermal materials, the volume change in this material is rather small, and mainly changes in the c / a ratio of the hexagonal lattice are observed. In order to elucidate the cause of the observed magnetothermal effect, electronic structure calculations are performed for the ground state of ferromagnetism, and the Curie temperature behavior is doubled for the unit cell (allowing antiferromagnetic configuration) Model with the resulting superlattice. These calculations show that the layers occupied by manganese are ferromagnetic and that the magnetic order is lost only at the Curie temperature. The size of the Mn moment decreases from 2.8Myu B in a ferromagnetic phase 2.6Myu B in paramagnetic phase. The iron layer exhibits weak itinerant magnetism. Fe moment in the phase of the ferromagnetic are 1.54μ B, which is lost in the paramagnetic phase (± 0.003μ B). The nonbonding electron density at the Fe position at temperatures below Tc shifts to a strongly hybridized distribution with Si / P at temperatures above Tc . The disappearance of the moment at the iron position is also evident from the partial density of states as a function of energy. In sharp contrast to manganese, above the Curie temperature, it shows the same polarity in the two spin directions.

一つの化合物中で強磁性と弱磁性のこのような組み合わせは、予想外のものである。弱磁性は稀である;ZrZn2またはNi3Alなどの材料中に見出される。キュリー温度は低い(例えば、ZrZn2:33K;Ni3Al:23−58K、組成物によって変動)。固体中では磁気モーメントの存在が化学結合と競争するため、混合磁気は直接大磁熱効果に関係する。半充満d殻の場合にこれが最もよく説明できる。非磁性の場合は(すべての半充満殻と同様に)化学結合を最大限に許すが、高スピン状態では、マジョリティサブバンドとマイノリティーサブバンドがそれぞれ完全に満たされているか空であるため、結合を示さない。鉄の磁気モーメントの消失で、キュリー温度を超えると格子への強いカップリングが可能となり、c/a比率が不連続となり、FOMTとなる。他方、マンガン層の強磁性は、室温近くにキュリー温度をもってくることができる。 Such a combination of ferromagnetism and weak magnetism in one compound is unexpected. Weak magnetism is rare; it is found in materials such as ZrZn 2 or Ni 3 Al. The Curie temperature is low (eg, ZrZn 2 : 33K; Ni 3 Al: 23-58K, depending on the composition). Mixed magnetism is directly related to the large magnetothermal effect because the presence of magnetic moments competes with chemical bonds in solids. This can best be explained for a half-filled d-shell. Non-magnetic allows maximum chemical bonding (as with all half-filled shells), but in high spin states, the majority and minority subbands are either completely filled or empty, so bonding Not shown. When the Curie temperature is exceeded due to the disappearance of the magnetic moment of iron, strong coupling to the lattice becomes possible, and the c / a ratio becomes discontinuous, resulting in FOMT. On the other hand, the ferromagnetism of the manganese layer can have a Curie temperature near room temperature.

試験的に、我々は、格子位置の元素を変化させた場合の効果を調べた。Mn部分格子へのFe置換とFe部分格子へのMn置換の両方が、またSi含量の増加が、ΔThysの低下をもたらす。Mn含量が増加するとTcが低下し、Fe含量が増加するとTcが上昇する。この傾向から、Mn:Fe比とP:Si比のバランスをとることで、小さなΔThyにカップルした大きなΔSmが得られると考えた。また、大きなΔSmと小さなΔThysの両方を維持するために、Mn:Fe比とP:Si比の両方を同時に変えてTcを調整できる。この傾向はまた、やや非化学量論的な化合物にもあてはまる。MnxFe1.95-x1-ySiy化合物中のMn:Fe比とP:Si比を同時に変えて、作動温度を、210と430Kの間に制御できる(それぞれ、x=1.35、y=0.46、及びx=0.66、y=0.42)が、この転移は急峻であり、ΔThysは小さなままであった(1−1.5K)。 Experimentally, we investigated the effect of changing the element at the lattice position. Both the Fe substitution into the Mn sublattice and the Mn substitution into the Fe sublattice, and the increased Si content, lead to a decrease in ΔT hys . When the Mn content increases, T c decreases, and when the Fe content increases, T c increases. From this tendency, it was considered that a large ΔS m coupled with a small ΔThy can be obtained by balancing the Mn: Fe ratio and the P: Si ratio. Also, in order to maintain both a large ΔS m and a small ΔT hys , T c can be adjusted by simultaneously changing both the Mn: Fe ratio and the P: Si ratio. This trend also applies to somewhat non-stoichiometric compounds. Mn x Fe 1.95-x P 1 -y Si y compound in Mn: Fe ratio and P: changing Si ratio at the same time, the operating temperature can be controlled between 210 and 430K (respectively, x = 1.35, y = 0.46 and x = 0.66, y = 0.42), but this transition was steep and ΔT hys remained small (1-1.5K).

マクスウェルの関係式からの磁気等温曲線から求めた、温度の関数としてのエントロピー変化を、図3に示す。0〜2Tの磁場変化の下では、215Kと350Kの両方でΔSmの絶対値が18Jkg-1-1に近づく。これらのピーク値は220〜380Kの全温度範囲にわたって、むしろ安定である(12.8−18.3Jkg-1-1の間で)。実施可能な温度では、これらの値は、Gdより約4倍大きい(図3中のデータを参照)。同一の効果を得るためには、MnFe(P,As)には、2倍より大きな磁場変化が、即ち0〜5Tが求められることに注意が必要である。従って、この材料では、磁熱冷蔵庫用にずっと安価な磁石を用いることができる。広い範囲の組成で大きな効果が得られるため、活性な磁性蓄冷材中で組成が少し異なる合金をいろいろと変化させることで、同様に広い温度領域で大きなMCEを得ることができる。 FIG. 3 shows the entropy change as a function of temperature obtained from the magnetic isothermal curve from Maxwell's relational expression. Under a magnetic field change of 0 to 2T, the absolute value of ΔS m approaches 18 Jkg −1 K −1 at both 215K and 350K. These peak values are rather stable (between 12.8-18.3 Jkg -1 K -1 ) over the entire temperature range of 220-380K. At feasible temperatures, these values are about 4 times greater than Gd (see data in FIG. 3). In order to obtain the same effect, it should be noted that MnFe (P, As) requires a magnetic field change larger than twice, that is, 0 to 5T. Thus, this material allows much cheaper magnets to be used for the magnetothermal refrigerator. Since a large effect can be obtained with a wide range of compositions, a large MCE can be obtained in a wide temperature range by changing various alloys having slightly different compositions in the active magnetic regenerator material.

この効果は水沸点を超える温度でも大きいため、これらの材料は、多量にある排熱を電気に変換する磁熱発電器中で使用できる。室温から熱源の温度にわたる温度領域すべてを利用するためには、この発電器がいろいろな異なる材料を含む必要がある。0〜1Tの磁場変化でも、観測されるエントロピー変化がむしろ大きいため、この単純な発電器が効率よく作動する。これは、これらの化合物中で低磁場で起こる、非常に小さな磁気ヒステリシスを伴う磁場誘起の転移によるものである。この極めて小さな磁気ヒステリシスは、観測される小さなΔThysと合致するものであり、FOMTの核形成に対するエネルギー障壁が低いことを示している。 Since this effect is great even at temperatures exceeding the boiling point of water, these materials can be used in magnetothermal power generators that convert a large amount of exhaust heat into electricity. In order to utilize the entire temperature range from room temperature to the temperature of the heat source, the generator needs to contain a variety of different materials. Even with a magnetic field change of 0 to 1T, the observed entropy change is rather large, so this simple generator operates efficiently. This is due to the magnetic field induced transition with very small magnetic hysteresis that occurs in these compounds at low magnetic fields. This very small magnetic hysteresis is consistent with the observed small ΔT hys , indicating a low energy barrier to FOMT nucleation.

単一材料中に弱磁性と強磁性が共存することで、スピンと格子の自由度を効果的にカップルできる可能性が出てくる。このようにして、Mn:Fe比とP:Si比を変えて、六方晶型Fe2P型構造のMn−Fe−P−Si化合物中で大磁熱効果と小さな熱ヒステリシスを同時に達成した。同時にMn:Fe比とP:Si比を変えて、作動温度を210〜430Kに制御できる。単一の活性な磁性蓄冷材中で組成の少し異なる多くの合金を組み合わせて、広い温度範囲で効率的な磁気冷凍が可能となる。特に、地球上に多く存在する非毒性元素や工業的に大量生産されている原料や単純な粉末冶金製造方法で、Mn−Fe−P−Si化合物が製造可能である。これらの高性能低コスト磁気冷却材の発見は、磁気冷凍や磁熱発電の実用化に新たな道を拓くものである。また、強磁性と弱磁性の共存の重要性の発見は、具体的には新規な磁熱材料の探索を可能となる。 The coexistence of weak magnetism and ferromagnetism in a single material has the potential to effectively couple spin and lattice degrees of freedom. In this way, a large magnetothermal effect and a small thermal hysteresis were simultaneously achieved in a Mn—Fe—P—Si compound having a hexagonal Fe 2 P structure by changing the Mn: Fe ratio and the P: Si ratio. At the same time, the operating temperature can be controlled to 210-430K by changing the Mn: Fe ratio and the P: Si ratio. By combining many alloys having slightly different compositions in a single active magnetic regenerator, efficient magnetic refrigeration is possible over a wide temperature range. In particular, a Mn—Fe—P—Si compound can be produced by a non-toxic element present on the earth in large quantities, industrially mass-produced raw materials, or a simple powder metallurgy production method. The discovery of these high-performance, low-cost magnetic coolants opens up new avenues for the practical application of magnetic refrigeration and magnetothermal power generation. In addition, the discovery of the importance of the coexistence of ferromagnetism and weak magnetism makes it possible to search for new magnetothermal materials.

以下の実施例をもって、本発明をさらに説明する。   The following examples further illustrate the present invention.

局所球面波法(LSW)と以下に述べるアブイニシオ全エネルギー分子動力学プログラム(VASP)を用いて第一原理電子的構造計算を行った。   First-principles electronic structure calculations were performed using the Local Spherical Wave Method (LSW) and the Abinitio Total Energy Molecular Dynamics Program (VASP) described below.

実施例1−サンプルの調整
Mn−Fe−P−Si化合物は、Mn(99.9%)チップとSi(99.999%)チップと二元化合物Fe2P(99.5%)と赤リン(99.7%)粉末からなる出発原料を、ボールミルでの破砕しならが固相反応を行って調整した。10時間破砕後に得られた粉末をプレスしてタブレット状とした。このタブレットをAr下で石英アンプル中に封入して1373Kで2時間焼成し、1123Kで20時間熱処理し、炉中でゆっくりと室温まで冷却させた。粉末X線回折パターンは、CuKα線を用いた、第二の平結晶モノクロメーターとX’セレーターRTMS検出器システムを備えたPAN分析Xパートプロ回折計で得られた。磁気的測定は、SQUID(超伝導量子干渉)磁力計(カンタム・デザインMPMS−5XL)中でRSOモードを用いて行った。上記他の試料と同様におかれたGd試料(3N Alfa Aesar)の測定の際に、室温付近での1K/minの温度変化で、約0.4Kの装置の熱的な遅れが観測された。
Example 1 Samples of adjusting Mn-Fe-P-Si compound, Mn (99.9%) chip and Si (99.999%) chips and binary compounds Fe 2 P (99.5%) and red phosphorus A starting material consisting of (99.7%) powder was prepared by performing a solid-phase reaction if it was crushed with a ball mill. The powder obtained after crushing for 10 hours was pressed into tablets. The tablet was enclosed in a quartz ampule under Ar, fired at 1373K for 2 hours, heat treated at 1123K for 20 hours, and slowly cooled to room temperature in a furnace. The powder X-ray diffraction pattern was obtained on a PAN analysis X part pro diffractometer equipped with a second flat crystal monochromator and X ′ serator RTMS detector system using CuKα rays. Magnetic measurements were made using the RSO mode in a SQUID (superconducting quantum interference) magnetometer (Quantum Design MPMS-5XL). When measuring a Gd sample (3N Alfa Aesar) placed in the same manner as the other samples above, a thermal delay of about 0.4 K was observed with a temperature change of 1 K / min near room temperature. .

実施例2−バンド構造
アブイニシオバンド構造計算は、van Leuken, HM Lodder、A.,Czyzyk、M. T., Springelkamp, F. & de Groot、R. A. 「スカラー相対論ハミルトニアンを用いるNb/Zr多層系のアブイニチオ電子的構造計算」、Phys. Rev. B.41、5613− 5626 (1990) に記載の局所球面波法(LSW)を用いて行った。空間充填モデル中で、Hedin, L & Lundqvist, B. I., 「明白な局所的な交換相関ポテンシャル」、J. Phys. C: Solid State Phys. 4、2064−2083 (1971)に記載の局所的な密度交換相関ポテンシャルを使用し、原子構成要素の周辺での球の重なりを使用した。原子球中の局所的な部分電荷の変化が10-5より小さくなる場合は、自己無撞着であると考えた。LSWベースの構築に当り、球面波には、遷移金属には原子状シンボル4sと4pと3dで、ケイ素とリンには3sと3pで示されるスカラー相対論計算の解を加え、また、内部角運動量を、遷移金属には4f電子、ケイ素とリンには3d状態を含む隣接する位置でのハンケル関数を補うために加えた。キュリー温度を超える温度でのシミュレーション計算は、xyとz方向のスーパーセルで、反強磁性(z)とフェリ磁性(xy)の出発磁気配置のものを用いた。初期モーメントの大きさは強磁性の場合の計算で得られたものである。最初の場合のスピン分極を有する状態密度を図1と図2に示す。少量の混合で強磁性またはフェリ磁性の出発配置が基底状態に落ちるのを防いだ。
Example 2 Band Structure Abinitio band structure calculations were performed according to van Leuken, HM Rodder, A. et al. , Czyzyk, M.M. T. T. et al. Springelkamp, F .; & De Groot, R.D. A. “Ab initio electronic structure calculation of Nb / Zr multilayer system using scalar relativistic Hamiltonian”, Phys. Rev. B. 41, 5613-5626 (1990), and performed using the local spherical wave method (LSW). In the space filling model, Hedin, L & Lundqvist, B.M. I. , “A clear local exchange correlation potential”, J. Am. Phys. C: Solid State Phys. 4, 2064-2083 (1971), using the local density exchange correlation potential, and the sphere overlap around the atomic components. When the local partial charge change in the atomic sphere was smaller than 10 −5 , it was considered self-consistent. In constructing the LSW base, the spherical wave is added with the solution of scalar relativity calculation indicated by atomic symbols 4s, 4p and 3d for transition metals, and 3s and 3p for silicon and phosphorus, and the internal angle Momentum was added to compensate for the Hankel function at adjacent positions including 4f electrons for transition metals and 3d states for silicon and phosphorus. In the simulation calculation at a temperature exceeding the Curie temperature, a supercell in the xy and z directions and having a starting magnetic configuration of antiferromagnetism (z) and ferrimagnetism (xy) was used. The magnitude of the initial moment is obtained by calculation in the case of ferromagnetism. The density of states with spin polarization in the first case is shown in FIGS. A small amount of mixing prevented the ferromagnetic or ferrimagnetic starting configuration from falling to the ground state.

電子密度の変化の可視化は、プログラムVESTAを用い、VASPデータを入力して行った。Momma、K. & Izumi, F.,「電子的構造解析のための三次元可視化システム]、J. Appl. Crystallogr. 41, 653− 658 (2008) and Kresse, G.M. FurthmuHer, J.「平面波土台セットを用いるアブイニシオ全エネルギー計算のための効率的反復方法」、Phys. Rev. B 54, 11169−11186(1996)を参照。   The change in electron density was visualized by inputting VASP data using the program VESTA. Momma, K .; & Izumi, F.A. , “Three-dimensional visualization system for electronic structure analysis”, J. Appl. Crystallogr. 41, 653-658 (2008) and Kresse, GM FurthmuHer, J. “Ab initio total energy calculation using plane wave foundation set Efficient Iterative Method for ", Phys. Rev. B 54, 11169-11186 (1996).

相転移とヒステリシス
格子位置元素の変更の効果は、グラフとして最もよく説明できる。六方晶型Fe2Pの合金MnFe(P,Si)の生成の際には、ほぼ完全な四面体3f位置のFeの占拠と角錘3g位置のMnの占拠が認められた。Mn部分格子へのFe置換とFe部分格子へのMn置換の両方を行った。驚くべきことに、Mn含量が増加するとTcが減少し、Fe含量の増加でTcが増加した(図4)。SiとPは1b位置と2c位置をほぼランダムに占拠し、Si含量の増加はMnとFe部分格子の完全占拠からのTcの偏差の増加を引き起こし、Si含量の増加はΔThysの減少をもたらした。
Phase transition and hysteresis The effect of changing the lattice position element can best be explained as a graph. When the hexagonal Fe 2 P alloy MnFe (P, Si) was produced, almost complete occupation of Fe at the tetrahedron 3f position and occupation of Mn at the pyramid 3g position were observed. Both Fe substitution into the Mn sublattice and Mn substitution into the Fe sublattice were performed. Surprisingly, T c decreases if the Mn content increases, T c is increased by increasing the Fe content (Figure 4). Si and P occupy the 1b and 2c positions almost randomly, increasing the Si content causes an increase in the deviation of T c from the complete occupation of the Mn and Fe sublattices, and increasing the Si content causes a decrease in ΔT hys . Brought.

Claims (8)

強磁気と弱磁気が交互の原子層でまたは材料全体の明確な位置で共存している大磁熱材料の生成方法であって、
a)CrとMn、Fe、Co、Niからなる群から選ばれる少なくとも一種の磁気的イオンを、50原子%を超える量で選ぶステップと、
b)P、As、Sb、Bi、Si、Ge、Sn、B、Al、Ga、In、Seからなる群から選ばれる少なくとも一種の安定化化学元素を、50原子%未満の量で選ぶステップ(なお、磁気的イオンと安定化化学元素の合計原子%は100原子%である)と、
c)選ばれた材料の電子的な構造計算を行うステップと、
d)材料の交互の原子層内にまたは全材料の明確な位置上に、キュリー温度でのみその磁気秩序を失う強磁性イオンとキュリー温度より上では少なくとも80%の磁気モーメントを失う弱磁性またはメタ磁性イオンとが共存するかを決定するステップ
からなる生成方法。
A method for producing a large magnetocaloric material in which strong magnetism and weak magnetism coexist in alternating atomic layers or in a clear position of the whole material,
a) selecting at least one magnetic ion selected from the group consisting of Cr and Mn, Fe, Co, Ni in an amount exceeding 50 atomic%;
b) selecting at least one stabilizing chemical element selected from the group consisting of P, As, Sb, Bi, Si, Ge, Sn, B, Al, Ga, In, and Se in an amount of less than 50 atomic% ( Note that the total atomic% of magnetic ions and stabilizing chemical elements is 100 atomic%)
c) performing an electronic structure calculation of the selected material;
d) Ferromagnetic ions that lose their magnetic order only at the Curie temperature, in alternating atomic layers of the material or on well-defined positions of the whole material, and weak magnetism or meta that lose at least 80% of the magnetic moment above the Curie temperature. A production method comprising a step of determining whether magnetic ions coexist.
上記明確な位置がその対称性と配置で区別できる請求項1に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the distinct position is distinguishable by its symmetry and arrangement. 上記明確な位置が、結晶格子の四面体位置と八面体位置である請求項1または2に記載の方法。   The method according to claim 1 or 2, wherein the distinct positions are a tetrahedral position and an octahedral position of the crystal lattice. 上記大磁熱材料がヤーン・テラー効果を示す請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the large magnetothermal material exhibits a yarn-teller effect. 上記バンド構造の変化が共振スピン偏極光電子放出で検出できる請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the change in the band structure can be detected by resonant spin-polarized photoemission. 請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法により生成する大磁熱材料。   A large magnetocaloric material produced by the method according to claim 1. 交互原子層中に、又は全材料中の明確な位置に強磁性と弱磁性の共存を示す大磁熱材料。   A large magnetocaloric material that exhibits the coexistence of ferromagnetism and weak magnetism in alternating atomic layers or at distinct locations in all materials. 請求項6または7に記載の大磁熱材料を含む磁熱的熱ポンプ、磁熱的電力変換装置、アクチュエータまたは磁気的スイッチ。   A magnetothermal heat pump, a magnetothermal power converter, an actuator or a magnetic switch comprising the large magnetothermal material according to claim 6.
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