Cấu Trúc Tinh Thể và Tính Chất Từ của Hợp Chất NaZn13

Tài liệu cung cấp kiến thức về cấu trúc tinh thể và tính chất từ của hợp chất từ nhiệt, phục vụ nghiên cứu và ứng dụng trong khoa học vật liệu.

• Tác giả: Nguyễn Thị Hoa
• Người hướng dẫn: PGS. Đỗ Thị Kim Anh
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật lý Nhiệt
• Đề tài: Cấu Trúc Tinh Thể và Tính Chất Từ của Hợp Chất NaZn13
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Cấu Trúc Tinh Thể NaZn13 Giới Thiệu

Nghiên cứu về cấu trúc tinh thể NaZn13 và tính chất từ NaZn13 đang thu hút sự quan tâm lớn trong lĩnh vực nghiên cứu vật liệu từ. Hợp chất này, thuộc loại hợp chất intermetallic, có tiềm năng ứng dụng rộng rãi. Bài viết này cung cấp cái nhìn tổng quan về cấu trúc và tính chất từ của NaZn13, đồng thời đề cập đến các phương pháp nghiên cứu và ứng dụng tiềm năng. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc thay đổi thành phần và điều kiện chế tạo có thể ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất của vật liệu. Do đó, việc hiểu rõ cấu trúc và tính chất từ là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất của NaZn13 trong các ứng dụng khác nhau. Nghiên cứu này được hỗ trợ bởi Đề tài Đại học Quốc gia, mã số QG.

1.1. Cấu trúc tinh thể học NaZn13 Đặc điểm cơ bản

Cấu trúc tinh thể của NaZn13 thuộc loại lập phương, với các nguyên tử Na và Zn chiếm các vị trí đặc biệt trong mạng tinh thể. Cấu trúc này tương tự như cấu trúc của hợp chất LaCo13. Mỗi ô nguyên tố chứa 8 đơn vị công thức NaZn13. Các ion Na nằm ở vị trí 8a, còn các ion Zn nằm ở các vị trí 8b và 96i. Cấu trúc này có ảnh hưởng lớn đến tính chất từ của NaZn13. Theo [14], trong cấu trúc này, các ion Na nằm ở vị trí 8a còn có các ion Zn nằm ở các vị trí 8b và 96i, do vậy mỗi ô nguyên tố chứa 8 đơn vị công thức NaZn13.

1.2. Tính chất từ vật liệu NaZn13 Tổng quan ban đầu

Tính chất từ của NaZn13 phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm thành phần hóa học, cấu trúc tinh thể và điều kiện chế tạo. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng NaZn13 có thể thể hiện các tính chất từ khác nhau, từ sắt từ đến phản sắt từ, tùy thuộc vào các yếu tố này. Việc điều chỉnh các yếu tố này có thể giúp tối ưu hóa tính chất từ của NaZn13 cho các ứng dụng cụ thể. Các thông số từ của hệ hợp chất La(FexSi1-x)13 được thống kê trong Bảng 1.

II. Thách Thức Nghiên Cứu Tính Chất Từ của Hợp Chất NaZn13

Mặc dù có tiềm năng lớn, việc nghiên cứu tính chất từ của NaZn13 vẫn đối mặt với nhiều thách thức. Một trong những thách thức lớn nhất là việc tổng hợp vật liệu với độ tinh khiết cao và cấu trúc tinh thể đồng nhất. Các tạp chất và khuyết tật trong cấu trúc có thể ảnh hưởng đáng kể đến tính chất từ của vật liệu. Ngoài ra, việc hiểu rõ cơ chế từ tính của NaZn13 cũng là một thách thức, đòi hỏi các phương pháp nghiên cứu tiên tiến và mô hình lý thuyết phức tạp. Việc nghiên cứu để chế tạo vật liệu có MCE lớn mà có nhiệt độ chuyển pha từ gần với vùng ứng dụng và sử dụng từ trường thấp, độ rộng của sự thay đổi entropy từ nhỏ (tính đơn pha cao) là vấn đề đang thu hút sự chú ý của các nhà khoa học trên thế giới.

2.1. Ảnh hưởng của tạp chất đến tính chất từ NaZn13

Tạp chất có thể gây ra sự thay đổi đáng kể trong cấu trúc điện tử NaZn13 và tính chất từ của vật liệu. Các tạp chất có thể tạo ra các trạng thái điện tử mới hoặc thay đổi mật độ điện tử tại các vị trí khác nhau trong mạng tinh thể, từ đó ảnh hưởng đến tương tác từ giữa các nguyên tử. Do đó, việc kiểm soát tạp chất là rất quan trọng để đảm bảo tính chất từ ổn định và có thể dự đoán được của NaZn13.

2.2. Khó khăn trong tổng hợp vật liệu NaZn13 đơn pha

Việc tổng hợp NaZn13 đơn pha là một thách thức do sự khác biệt lớn về nhiệt độ nóng chảy giữa Na và Zn. Điều này có thể dẫn đến sự hình thành các pha phụ trong quá trình tổng hợp, ảnh hưởng đến tính chất nhiệt động NaZn13 và tính chất từ của vật liệu. Các phương pháp tổng hợp tiên tiến, như nóng chảy hồ quang, cần được sử dụng để đạt được vật liệu đơn pha với cấu trúc tinh thể đồng nhất. Theo luận văn, pha 1:13 giữa La với Fe có thể được tạo thành khi thay thế một phần Fe bởi các kim loại khác như Si, Co, Al, …

III. Phương Pháp Nhiễu Xạ Tia X Phân Tích Cấu Trúc Tinh Thể NaZn13

Phương pháp nhiễu xạ tia X là một công cụ quan trọng để xác định cấu trúc tinh thể NaZn13. Bằng cách phân tích mẫu nhiễu xạ tia X, có thể xác định được các thông số mạng tinh thể, vị trí của các nguyên tử trong mạng và sự có mặt của các pha khác nhau. Phương pháp này cung cấp thông tin chi tiết về cấu trúc tinh thể của NaZn13, giúp hiểu rõ hơn về mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất từ. Sơ đồ mô tả nguyên lý hoạt động của phƣơng pháp nhiễu xạ tia X được trình bày trong luận văn.

3.1. Xác định thông số mạng tinh thể bằng nhiễu xạ tia X

Thông qua phân tích vị trí và cường độ của các đỉnh nhiễu xạ, có thể xác định chính xác các thông số mạng tinh thể của NaZn13, bao gồm hằng số mạng và góc giữa các trục tinh thể. Các thông số này cung cấp thông tin quan trọng về kích thước và hình dạng của ô mạng cơ sở, ảnh hưởng đến tính chất từ của vật liệu. Hình 3.5 trong luận văn thể hiện sự phụ thuộc của hằng số mạng vào nồng độ Si của các hợp chất La(Fe1-x Six )13.

3.2. Phân tích pha bằng phương pháp nhiễu xạ tia X

Phương pháp nhiễu xạ tia X cũng có thể được sử dụng để xác định sự có mặt của các pha khác nhau trong mẫu NaZn13. Mỗi pha có một mẫu nhiễu xạ đặc trưng, cho phép xác định thành phần pha và tỷ lệ của mỗi pha trong mẫu. Việc phân tích pha là rất quan trọng để đánh giá độ tinh khiết và đồng nhất của vật liệu. Phổ nhiễu xạ tia X của các hợp chất La(Fe1-xSix)13 với x = 0,12; 0.14; 0,15; 0,18; 0,21 chƣa qua xử lý nhiệt được thể hiện trong luận văn.

IV. Đo Từ Tính SQUID Nghiên Cứu Tính Chất Từ Nhiệt NaZn13

Giao thoa kế lượng tử siêu dẫn (SQUID) là một công cụ nhạy bén để đo từ tính vật liệu. SQUID có thể đo được các đại lượng như độ từ hóa, độ cảm từ và nhiệt độ Curie của NaZn13. Các phép đo SQUID cung cấp thông tin quan trọng về cơ chế từ tính NaZn13 và sự phụ thuộc của tính chất từ vào nhiệt độ và từ trường. Sơ đồ buồng mẫu thiết bị đo hệ số cảm từ SQUID được minh họa trong luận văn.

4.1. Xác định nhiệt độ Curie của NaZn13 bằng SQUID

Nhiệt độ Curie là nhiệt độ mà tại đó vật liệu chuyển từ trạng thái sắt từ sang trạng thái thuận từ. SQUID có thể được sử dụng để xác định chính xác nhiệt độ Curie của NaZn13 bằng cách đo sự phụ thuộc của độ từ hóa vào nhiệt độ. Nhiệt độ Curie là một thông số quan trọng để đánh giá tính chất từ của vật liệu và khả năng ứng dụng của nó trong các thiết bị từ tính. Sự phụ thuộc vào nồng độ Si của nhiệt độ Curie (a) và mômen từ bão hòa (b) đối với các hợp chất La(Fe1-xSix)13 được thể hiện trong luận văn.

4.2. Đo độ từ hóa và độ cảm từ của NaZn13 bằng SQUID

SQUID có thể được sử dụng để đo độ từ hóa và độ cảm từ của NaZn13 trong các điều kiện nhiệt độ và từ trường khác nhau. Các phép đo này cung cấp thông tin về sự sắp xếp của các mômen từ trong vật liệu và khả năng phản ứng của vật liệu với từ trường ngoài. Thông tin này rất quan trọng để hiểu rõ cơ chế từ tính NaZn13 và tối ưu hóa tính chất từ của vật liệu. Các đƣờng Arrott plots tại các nhiệt độ khác nhau trong hợp chất La(Fe0,85Si0,15)13 và La(Fe0,82Si0,18)13 được thể hiện trong luận văn.

V. Ứng Dụng Tiềm Năng của Vật Liệu Từ NaZn13 Lưu Trữ Từ

Với tính chất từ đặc biệt, NaZn13 có tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm lưu trữ từ, cảm biến từ và làm lạnh từ. Khả năng điều chỉnh tính chất từ của NaZn13 thông qua thay đổi thành phần và điều kiện chế tạo mở ra cơ hội để phát triển các thiết bị từ tính hiệu suất cao. Công nghệ làm lạnh từ không sử dụng các loại hóa chất độc hại với môi trường.

5.1. NaZn13 làm vật liệu lưu trữ từ mật độ cao

NaZn13 có thể được sử dụng làm vật liệu lưu trữ từ mật độ cao nhờ khả năng duy trì trạng thái từ ổn định ở kích thước nano. Việc phát triển các thiết bị lưu trữ từ dựa trên NaZn13 có thể giúp tăng dung lượng lưu trữ và giảm kích thước của các thiết bị điện tử. Các hợp chất sắt từ này còn thể hiện một số tính chất từ đặc biệt như: tính chất từ giả bền điện tử linh động, hiệu ứng từ nhiệt tương đối lớn.

5.2. NaZn13 trong các thiết bị cảm biến từ trường

NaZn13 có thể được sử dụng trong các thiết bị cảm biến từ trường nhờ khả năng phản ứng nhạy bén với từ trường ngoài. Các cảm biến từ dựa trên NaZn13 có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng, bao gồm đo lường từ trường, định vị và điều khiển. Đặc biệt khi có chuyển pha giả từ bền dưới tác dụng của từ trường sẽ gây ra sự biến thiên entropy từ lớn dẫn đến một hiệu ứng từ nhiệt lớn [4].

VI. Kết Luận và Hướng Nghiên Cứu Tính Chất Từ NaZn13 Tương Lai

Nghiên cứu về cấu trúc tinh thể NaZn13 và tính chất từ NaZn13 đã đạt được nhiều tiến bộ, nhưng vẫn còn nhiều câu hỏi cần được giải đáp. Các nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp để đạt được vật liệu đơn pha với cấu trúc tinh thể hoàn hảo. Ngoài ra, cần phát triển các mô hình lý thuyết chính xác hơn để mô tả cơ chế từ tính NaZn13 và dự đoán tính chất từ của vật liệu. Việc nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của tạp chất đến tính chất từ cũng là một hướng đi quan trọng. Trong số các loại vật liệu đó, hợp chất giả lưỡng nguyên La(Fe1-xMx)13 xuất phát từ vật liệu hai nguyên loại LaT13 với cấu trúc lập phương loại NaZn13 có thể ổn định nhờ việc thay thế một phần Fe bởi các kim loại M như Si, Al, Co, …

6.1. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp NaZn13 đơn pha

Việc phát triển các phương pháp tổng hợp mới và cải tiến các phương pháp hiện có là rất quan trọng để đạt được vật liệu NaZn13 đơn pha với cấu trúc tinh thể hoàn hảo. Các phương pháp này nên tập trung vào việc kiểm soát chặt chẽ các điều kiện tổng hợp, như nhiệt độ, áp suất và thành phần hóa học, để ngăn chặn sự hình thành các pha phụ. Trên cơ sở đó, luận văn sẽ tập trung nghiên cứu vào công nghệ chế tạo các mẫu với cấu trúc loại NaZn13, ảnh hưởng của sự thay thế Si vào vị trí Fe lên cấu trúc và tính chất từ trong hệ vật liệu La(Fe, Si)13.

6.2. Phát triển mô hình lý thuyết mô tả cơ chế từ tính NaZn13

Việc phát triển các mô hình lý thuyết chính xác hơn là rất quan trọng để hiểu rõ cơ chế từ tính NaZn13 và dự đoán tính chất từ của vật liệu. Các mô hình này nên tính đến các yếu tố như tương tác trao đổi từ, tương tác lưỡng cực từ và ảnh hưởng của cấu trúc điện tử. Các hợp chất sắt từ này còn thể hiện một số tính chất từ đặc biệt như: tính chất từ giả bền điện tử linh động, hiệu ứng từ nhiệt tương đối lớn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu Chƣơng I: Một số tính chất đặc trƣng của hệ vật liệu từ nhiệt có cấu trúc loại NaZn13. Chƣơng II: Phƣơng pháp thực nghiệm. Chƣơng III: Kết quả và thảo luận. Kết luận Ngành Vật lý Nhiệt 2 Khóa 2011-2013 Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Hoa CHƢƠNG 1 MỘT SỐ TÍNH CHẤT ĐẶC TRƢNG CỦA HỆ VẬT LIỆU TỪ NHIỆT CÓ CẤU TRÚC LOẠI NaZn13 1.

Cấu trúc tinh thể của hệ hợp chất La(Fe1-xMx)13 Hợp chất liên kim loại R(Fe,M)13 (R = La, Nd; M = Si, Co, Al) đã được nghiên cứu nhiều. Thực tế là do các hợp chất này có hàm lượng kim loại chuyển tiếp cao nhất trong các hợp chất đất hiếm – kim loại chuyển tiếp. Một trong những chủ đề hấp dẫn nhất của các hợp chất từ tính là liên kết kim loại của hợp chất La(Fe1-xSix)13 có cấu trúc lập phương đặc trưng của NaZn13 - kiểu cấu trúc thuộc nhóm không gian Fm3c. Trong cấu trúc này, các ion Na nằm ở vị trí 8a còn có các ion Zn nằm ở các vị trí 8b và 96i, do vậy mỗi ô nguyên tố chứa 8 đơn vị công thức NaZn13 [14].

Kiểu cấu trúc lập phương NaZn13 chỉ thấy duy nhất trong trường hợp chất nhị nguyên đất hiếm – kim loại chuyển tiếp, đó là hợp chất LaCo13 (Hình 1). Hơn nữa, các hợp chất này không chỉ có hàm lượng kim loại chuyển tiếp cao nhất trong các hợp chất đất hiếm - kim loại chuyển tiếp mà còn được dự kiến mômen từ cao ở mỗi nguyên tử. Trong hợp chất liên kim loại LaCo13, mômen từ rất lớn và nhiệt độ Curie cao (4πMs = 13kG, TC = 1290 K). Các vị trí của các nguyên tử Co và La được đưa ra trong Bảng 1, nguyên tử Co chiếm hai vị trí khác nhau theo tỉ lệ CoI : CoII = 1 : 12 [12].

Vị trí các nguyên tử trong cấu trúc loại NaZn13 của hợp chất LaCo13 Nguyên tử Vị trí 8La  (1/4, 1/4, 1/4) 8CoI (0, 0, 0); (1/2, 1/2, 1/2) 96CoII  (0, y, z);  (1/2, z, y) y = 0,112; z = 0,178 Ngành Vật lý Nhiệt 3 Khóa 2011-2013 Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Hoa Mỗi nguyên tử CoI được bao quanh bởi 12 nguyên tử CoII do đó có đối xứng không gian giống như lập phương tâm mặt (fcc). Và mỗi nguyên tử La có 24 nguyên tử CoII gần nhất. Trên thực tế không tồn tại hợp chất LaFe13 với cấu trúc lập phương loại NaZn13. Tuy nhiên, pha 1:13 giữa La với Fe có thể được tạo thành khi thay thế một phần Fe bởi các kim loại khác như Si, Co, Al, ….

Như vậy, một lượng nhỏ nguyên tố thứ ba sẽ tạo ra một hợp chất giả nhị nguyên với cấu trúc 1:13. Trong trường hợp La(Fe1- xSix)13, pha 1:13 ổn định với 0,12 ≤ x ≤ 0,19. Khi nồng độ Si tăng (0,24 ≤ x ≤ 0,38), hợp chất La(Fe1-xSix)13 biểu hiện cấu trúc tứ diện đều giống với cấu trúc lập phương loại NaZn13 [18]. Hay nói cách khác, chúng ta có thể ổn định hệ nhị nguyên đất hiếm – kim loại chuyển tiếp với cấu trúc lập phương loại NaZn13 khi thay thế nguyên tử FeII bởi kim loại thứ ba.

Cấu trúc kiểu NaZn13 cũng được hình thành khi thay thế một phần kim loại La bởi nguyên tố đất hiếm khác như trong hệ La0,7Ry(Fe0,.88Si12)13 với R = Nd, Pr và Gd khi y = 0,2 [12].1: Cấu trúc lập phƣơng NaZn13: (a) cấu trúc tinh thể và (b) cấu trúc của một ô đơn vị. Ngành Vật lý Nhiệt 4 Khóa 2011-2013 Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Hoa Na Zn I II Zn Hình 1.2: Cấu trúc tứ diện đều. Loại cấu trúc tứ diện đều có ô nguyên tố dịch chuyển dọc theo trục z từ cấu trúc lập phương NaZn13 như minh họa trong hình 1. Các ô lập phương được kéo ra theo trục z để tạo thành các ô tứ diện qua mối quan hệ: 1 x’ = x + y – y’ = y – x z’ = z (1.1) 2 Trong đó: x’, y’, z’ là tọa độ phân tử của cấu trúc tứ diện; x, y, z là tọa độ phân tử của cấu trúc lập phương.

Mối quan hệ giữa các hằng số mạng trong cấu trúc tứ diện và lập phương: a a tet  cub , c tet  ccub (1. Tính chất từ của hệ hợp chất La(Fe1-xMx)13 Tính chất từ của hợp chất La(Fe1-xMx)13 phụ thuộc mạnh vào hai yếu tố đó là nguyên tố M và nồng độ của nguyên tố M trong các hợp chất. Với M = Al, trạng thái từ trong hợp chất La(Fe1-xAlx)13 là vật liệu sắt từ với 0,14 ≤ x ≤ 0,38; và là vật Ngành Vật lý Nhiệt 5 Khóa 2011-2013 Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Hoa liệu phản sắt từ với 0,08 ≤ x ≤ 0,13 [15]. Trạng thái từ trong hợp chất La(Fe1-xAlx)13 được ổn định khi 0,08 ≤ x ≤ 0,54 và giá trị lớn nhất của TC trong các loại hợp chất có thể lên tới 250 K và sau đó giảm dần [18].

Khi nồng độ Fe tăng thì nhiệt độ chuyển pha Curie TC giảm và mômen từ bão hòa Ms tăng. Trong hợp chất sắt từ La(Fe1-xMx)13 biểu hiện một tính chất từ giả bền điện tử linh động. Tính chất này ảnh hưởng mạnh đến hiệu ứng từ nhiệt, hiệu ứng từ thể tích, từ giảo khổng lồ và một số tính chất khác của vật liệu. Các thông số từ của hệ hợp chất La(FexSi1-x)13 được thống kê trong Bảng 1.

So với hợp chất ban đầu LaCo13, việc thay thế Co bởi Fe và Si đã làm giảm nhiệt độ chuyển pha TC một cách đáng kể và đồng thời làm tăng mômen từ. Một số thông số về nhiệt độ chuyển pha Curie và hiệu ứng từ nhiệt trong các hợp chất La(Fe1-xAlx)13 và La(Fe1-xCox)11,7Al1,3 [14] Các hợp chất TC (K) LaFe11,12Co0,71Al1,17 279 2 4,6 LaFe11,12Co0,71Al1,17 279 5 9,1 LaFe10,88Co0,95Al1,17 303 2 4,5 LaFe10,88Co0,95Al1,17 303 5 9,0 La(Fe0,98Co0,02)11,7Al1,3 203,00 5 10,65 La(Fe0,96Co0,04)11,7Al1,3 243,62 5 9,38 La(Fe0,94Co0,06)11,7Al1,3 277,78 5 9,00 La(Fe0,92Co0,08)11,7Al1,3 308,80 5 8,33 La(Fe0,98Co0,02)11,7Al1,3 197,00 2 5,93 La(Fe0,96Co0,04)11,7Al1,3 237,96 2 4,80 La(Fe0.94Co0,06)11,7Al1,3 277,78 2 4,50 La(Fe0,92Co0,08)11,7Al1,3 307,41 2 4,18 Ngành Vật lý Nhiệt 6 Khóa 2011-2013 Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Hoa Trong các hợp chất La(Fe1-xCox)11,7Al1,3 nhiệt độ TC tăng dần và đạt giá trị lớn nhất cỡ nhiệt độ phòng khi nồng độ Co tăng từ x = 0,02 đến 0,08. Đồng thời độ biến thiên entropy từ giảm nhẹ khi tăng nồng độ Co. Nồng độ của Fe tăng khi nhiệt độ Curie giảm và ngược lại mômen từ bão hoà tăng trong các trường hợp đó.

Do sự thay đổi đơn thuần Co trong LaCo13 tương đương bằng thành phần của Fe bởi sự thay thế của Si đã làm giảm nhiệt độ chuyển pha Curie TC một cách đáng kể dẫn đến mômen từ tăng. Khi mômen từ của một nguyên tử Fe tăng - nồng độ Fe tăng - nhiệt độ chuyển pha Curie TC giảm và có liên quan tới sự dãn nở nhiệt dị thường ở dưới nhiệt độ chuyển pha Curie TC đã được tìm thấy trong hợp kim Invar [4]. Như vậy, nhiệt độ chuyển pha Curie TC phụ thuộc mạnh vào nồng độ Si. Tính chất tới hạn biểu hiện rất mạnh trong sự phụ thuộc vào nhiệt độ của độ cảm từ, từ độ và điện trở suất.

Độ cảm từ được xác định thông qua biểu thức: χ = const  (T  TC )  khi T > TC [6] (1.3) Hệ số γ suất hiện trong trạng thái sắt từ tương đương với số mũ tìm thấy trong chất sắt từ Heisenberg 3 chiều đẳng hướng. Trong hợp chất, xuất hiện trường trao đổi được tạo ra bởi môi trường định xứ của các nguyên tử 3d. Chuyển pha thuận từ - sắt từ dưới tác dụng của tham số ngoài như từ trường, áp suất, nhiệt độ là đặc trưng của chuyển pha từ giả bền. Biểu hiện ở sự xuất hiện một dị thường trong từ độ cũng như sự thay đổi thể tích, điện trở suất ….

Các hợp chất sắt từ này còn thể hiện một số tính chất từ đặc biệt như: tính chất từ giả bền điện tử linh động, hiệu ứng từ nhiệt tương đối lớn. Đặc biệt khi có chuyển pha giả từ bền dưới tác dụng của từ trường sẽ gây ra sự biến thiên entropy từ lớn dẫn đến một hiệu ứng từ nhiệt lớn [4]. Hiệu ứng từ nhiệt và ứng dụng Xuất phát từ bản chất bên trong mỗi vật liệu từ, hiệu ứng từ nhiệt được định nghĩa là sự biến đổi nhiệt độ của một vật liệu từ khi chịu sự tác dụng của từ trường Ngành Vật lý Nhiệt 7 Khóa 2011-2013 Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Hoa ngoài, hay đó là sự biến đổi entropy từ có trong vật liệu khi có sự thay đổi từ trường. Trong trường hợp của chất sắt từ ở gần nhiệt độ trật tự từ, sự liên kết tới hạn của trường từ làm giảm entropy từ của chất rắn, đó là sự tỏa nhiệt bởi entropy mạng tinh thể tăng, giữ cho entropy không đổi trong hệ kín.

Trong quá trình thuận nghịch, sắt từ được làm lạnh khi đó entropy từ sẽ tăng và entropy mạng tinh thể sẽ giảm cùng sự thay đổi của từ trường tới hạn. Khi làm ấm và làm lạnh vật liệu từ, hay khí gas kết quả thu được là như nhau khi thay đổi từ trường, giống với quá trình trung gian giữa sự nén và nở tới hạn. Làm lạnh từ (MR) dựa trên từ tính/sự khử từ của vật liệu từ. Cụ thể là, trong quá trình từ hóa đoạn nhiệt (Q = 0), sự suy giảm entropy của hệ spin định hướng theo từ trường ngoài được cân bằng bởi sự tăng của entropy mạng tinh thể (do nhiệt độ của hệ tăng lên).

Trong quá trình khử từ (ngược lại quá trình trên), sự gia tăng entropy của hệ spin nhằm thiết lập lại vị trí ban đầu được thỏa mản bởi sự suy giảm entropy của mạng tinh thể (do nhiệt độ của hệ giảm). Nếu quá trình từ hóa/khử từ được thực hiện ở điều kiện đẳng nhiệt (không có sự thay đổi nhiệt độ) mà thay vào đó là sự tỏa nhiệt và thu nhiệt thì hiệu ứng từ nhiệt này là cơ sở của sự làm lạnh từ [2, 5]. Từ việc làm lạnh bằng chất rắn, tới việc truyền nhiệt được cung cấp bởi chất lỏng (nước, khí trơ) phụ thuộc vào sự thay đổi của nhiệt độ. Hiệu ứng này đạt giá trị cực đại tại nhiệt độ chuyển pha từ của vật liệu (theo công thức về biến thiên entropy từ ở dưới, giá trị này cực đại khi biến thiên của mômen từ cực đại - xảy ra ở nhiệt độ chuyển pha Curie TC).

Thông thường, biến thiên entropy từ và biến thiên nhiệt độ đoạn nhiệt sẽ lớn khi vật liệu là sắt từ, và xảy ra lớn nhất ở nhiệt độ chuyển pha loại 2 (lý thuyết tính toán mới đây cho rằng hiệu ứng này lớn nhất tại nhiệt độ chuyển pha loại 1).