rapport d'activités 2003-2008 - RQMP

Matériaux magnétocaloriques : théorie et expérience
Chercheurs : Zaven Altounian, Dominic H. Ryan et Xu Bo Liu
Collaborateurs : J. M. Cadogan (U. Manitoba); M. Yue (Beijing University of Technology)
Étudiant : H.B. Wang
Contact : Zaven Altounian; altounian@physics.mcgill.ca; www.physics.mcgill.ca/~zaven/
Cette recherche vise le développement de matériaux possédant un effet magnétocalorique géant
à des températures et variations de champ magnétique modérées, en vue d’applications pour la
réfrigération magnétique. Le principal avantage de la réfrigération magnétique par rapport à la
réfrigération gaz-liquide traditionnelle est l’absence d’émission de gaz nocifs. Nous étudions plusieurs
types de composés pour mieux établir la relation entre la structure et la composition des matériaux et
leurs propriétés et ce, dans le but de cibler les meilleurs candidats pour l’application visée. En parallèle,
par des calculs faisant appel à la théorie de la fonctionnelle de la densité, nous étudions comment
la structure de la bande électronique et l’état magnétique fondamental peuvent être modifiées pour
optimiser les propriétés de ces matériaux.
54 | RQMP | projets | Magnétisme des matériaux et des systèmes
La réfrigération magnétique, basée sur l’effet magnétocalorique
(EMC), est une alternative attrayante à la réfrigération par
cycles de compression-évaporation. Au cours du cycle de
réfrigération magnétique, les moments magnétiques orientés
de façon aléatoire sont d’abord alignés par un champ magnétique,
provoquant le chauffage du matériau. La suppression du
champ magnétique provoque à son tour la dispersion aléatoire
des moments magnétiques, résultant ainsi au refroidissement
du matériau en deçà de la température ambiante. Sécuritaire
et propre, la réfrigération magnétique ne fait appel à aucun
produit chimique toxique ou dangereux, et ne libère pas de
gaz à effet de serre. De plus, son efficacité atteint ~ 60 % alors
qu’elle ne dépasse pas 40 % dans les meilleurs réfrigérateurs à
compression : un accroissement de l’efficacité énergétique qui
se traduira par la réduction des rejets de CO 2. L’effet magnétocalorique
est maximal près de la température de transition
magnétique, T C, et peut être considérablement augmentée si
une transition structurelle de premier ordre se produit en même
temps que la transition magnétique.
Nous étudions présentement quatre catégories-types de matériaux;
voici un bref aperçu de nos progrès.
Matériaux à base de terres rares. R 5T 4, où R = terre rare et
T = Si, Ge, ou R 5(Si,Ge,Sn) 4. Le système Gd 5Si xSn 4-x est utilisé
pour étudier de nouveaux matériaux 5:4 et ce, par diffraction
de rayonnement de synchrotron à basse température, mesures
magnétiques et spectroscopie Mössbauer 119 Sn. Une transition
magnétostructurelle du Gd 5Sn 4 est induite à T C. Une
telle transition est également observée dans le Nd 5Si xGe 4-x. Le
système non-magnétique La 5Si xGe 4-x a aussi été étudié à titre
de comparaison.
Matériaux à base de Fe. Les composés magnétocaloriques
La(Fe,Co,Si,Al) 13 comportant une structure cubique de type
NaZn 13 sont facilement synthétisés [1]. Par spectroscopie
Mössbauer en fonction de la température et par des mesures
magnétiques sur le 57 Fe, nous montrons que le remplacement
du Fe par Co et/ou Si aura l’effet d’augmenter T C et de conduire
la transition magnétique à T C de premier ordre à un deuxième
ordre dans La(Fe 1-xCo x) 13-ySi y [1]. Le dopage du La(Fe 0.88Al 0.12) 13
par une petite quantité de carbone modifiera son état, d’antiferromagnétique
à ferromagnétique, et augmentera l’EMC.
L’augmentation de la teneur en carbone modifiera la transition
magnétique, du premier vers le second ordre et s’accompagne
d’une diminution de l’entropie magnétique isotherme chez les
composés à base de LaFe 13.
Matériaux à base de Mn. MnFe(P,As,Si,Ge) et Mn 5(Si,Ge) 3.
Mn 5Ge 3 démontre une transition magnétique de second ordre
et un EMC élevé près de T C = 298 K. La substitution de Ge
par Si diminue la valeur de T C et du EMC dans les alliages
Mn 5(Si xGe 1-x) 3 [2]. Nos calculs indiquent que les paramètres
d’échange sont passablement modifiés dans MnFe(P,As,Si,Ge)
qui ont une structure hexagonale de type Fe 2P. Les paramètres
d’échange Mn-Mn sont également trois fois supérieurs à
ceux de Fe-Fe. L’état magnétique du Fe est métastable, d’où
la transition magnétique de premier ordre près de T C.
Composés Laves. RCo 2 a un EMC élevé et une transition de
premier ordre près de T C pour R = Dy, Ho et Er. La substitution
partielle de Er par Gd ou de Co par Fe, provoque l’augmentation
de T C de ErCo 2 de 33 K à 400 K, alors que l’EMC diminue
avec l’addition of Gd et Fe [3]. Nos calculs démontrent que l’ordre
de transition magnétique dépend de l’existence d’un état
métastable à bas spin dans les composés de type RCo 2 [3].
Références
[1] “The order of magnetic phase transition in La(Fe 1-xCo x) 11.4Si 1.6
compounds”,
X.B. Liu et Z. Altounian, J. Magn. Magn. Mater. 270, 305 (2004);
“Structure and magnetic transition of LaFe 13-xSix compounds”, X.B. Liu,
Z. Altounian et D.H. Ryan, J. Phys: Condens. Matter. 15, 7385 (2003);
“The structure and large magnetocaloric effect in rapidly quenched
LaFe 11.4Si 1.6 compound”, X.B. Liu, Z. Altounian et G.H. Tu,
J. Phys: Condens. Matter. 16, 8043 (2004).
[2] “Co magnetism and the order of the magnetic transition in Er 1-xGd xCo 2
Laves phases”, X.B. Liu et Z. Altounian, J. Appl. Phys. 99, 08Q101
(2006).
[3] “Magnetocaloric effect in (Er 1-xGd x)Co 2 pseudobinary compounds”,
X.B. Liu and Z. Altounian, J. Magn. Magn. Mater. 292, 83 (2005);
“Magnetic states and magnetic transitions in RCo 2 Laves phases”, X.B.
Liu et Z. Altounian,
J. Phys: Condens. Matter. 18, 5503 (2006).