掺杂Sb、Ge和Ga的AlFe2B2材料的磁热性质

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Magnetocaloric properties of Sb, Ge, and Ga doped AlFe 2B 2

AlFe2B2掺杂Sb、Ge、Ga改变了相组成和磁学性能，Sb掺杂显著降低磁熵变，Ge掺杂提升居里温度至297K且保持磁制冷潜力，Ga掺杂类似但效果稍弱，杂质相Al13Fe4和AlB2的形成影响性能。

　　本研究聚焦于AlFe?B?材料中通过掺杂Sb、Ge和Ga所引发的磁性和磁热效应（magneto-caloric effect, MCE）的变化。AlFe?B?作为一种具有广泛应用前景的磁热材料，其磁性能和相结构对于开发高效、环保的磁制冷技术至关重要。为了进一步提升其性能，研究人员选择金属元素Sb、Ge和Ga作为掺杂材料，因为这些元素相较于过渡金属具有更显著的对磁性能的影响潜力。通过真空电弧熔炼法（VST）合成AlFe?B?及其掺杂样品，并进一步通过粉末压实技术进行处理。研究重点在于分析掺杂元素对材料的结构、磁性以及磁热效应的具体影响。

AlFe?B?是一种具有正交晶系（Cmmm空间群）的金属间化合物，其层状结构由Fe?B?层与Al层交替组成，从而有效抑制了Fe-Fe和Fe-B之间的直接相互作用。这种结构特征使其在室温附近表现出显著的磁性转变行为，即从铁磁态转变为顺磁态。其居里温度（Curie temperature）通常在274 K至320 K之间，显示出良好的磁热特性。然而，传统的熔炼方法在合成过程中容易产生不希望的次级相，如FeB和Al??Fe?，这些次级相会对磁热性能产生负面影响。因此，优化材料的组成和制备条件成为减少杂质相、提升磁热性能的关键。

在本研究中，研究人员通过掺杂Sb、Ge和Ga，探索了这些元素对AlFe?B?磁性和磁热效应的影响。结果显示，随着掺杂元素的引入，AlFe?B?的居里温度显著提高。例如，掺杂Ge的样品居里温度达到297 K，而掺杂Ga的样品居里温度为296 K，相比之下，掺杂Sb的样品则显示出居里温度的下降。这一现象表明，不同掺杂元素对磁性能的调控具有显著差异，其中Ge和Ga对居里温度的提升作用更为明显，而Sb则可能引入了不同的结构变化，从而影响了磁性转变行为。

此外，磁化强度（magnetization, M）在不同掺杂条件下也表现出不同的趋势。在100 K至300 K的温度范围内，Ge和Ga的掺杂使得磁化强度显著提高，而Sb的掺杂则导致磁化强度大幅下降。这表明，掺杂元素对磁化行为的影响不仅限于居里温度的变化，还涉及材料在不同温度区间内的磁响应能力。研究人员通过X射线衍射（XRD）和Rietveld分析对样品的相组成进行了详细研究，发现掺杂Ge和Ga的样品中除了FeB外，还形成了新的次级相，如AlB?和Al??Fe?。这些次级相的存在可能对磁性能产生一定的增强或抑制作用，具体取决于掺杂元素的种类和浓度。

在磁热效应方面，研究人员测量了在2 T磁场下磁熵变（magnetic entropy change, ΔS?）的变化。结果显示，纯AlFe?B?样品在274 K附近具有2.31 J kg?1 K?1的磁熵变，而掺杂Ge和Ga的样品则表现出更高的磁熵变值，分别为2.55 J kg?1 K?1和1.92 J kg?1 K?1。相比之下，掺杂Sb的样品磁熵变显著降低，仅为0.31 J kg?1 K?1。这一现象表明，不同掺杂元素对磁热性能的调控存在显著差异，其中Ge和Ga的掺杂能够有效提升磁熵变，而Sb的掺杂则可能抑制了这一效应。研究人员还对相对冷却功率（relative cooling power, RCP）进行了评估，发现Ge掺杂样品的RCP与纯AlFe?B?样品相当，而Sb掺杂样品的RCP则显著降低。

为了进一步分析磁热效应的机制，研究人员还探讨了材料的微观结构。通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等手段，观察到不同掺杂元素对材料微观结构的影响。例如，掺杂Ge和Ga的样品表现出更均匀的晶粒分布，而掺杂Sb的样品则显示出晶粒尺寸的不均匀性。这种微观结构的变化可能与磁性转变行为密切相关，进而影响磁热效应的性能。此外，材料的晶格参数在不同掺杂条件下也发生了变化，其中Sb掺杂样品的晶格参数呈现出各向异性变化，a和b参数减少，c参数增加；而Ge和Ga掺杂样品的晶格参数则整体增加。这些结构变化可能为磁热效应的调控提供了新的思路。

在实际应用中，磁热材料需要具备良好的磁熵变和相对冷却功率，以满足高效磁制冷的需求。此外，材料的稳定性也是影响其应用的重要因素。研究人员发现，AlFe?B?在室温附近表现出良好的磁热特性，其磁熵变和相对冷却功率均处于较高水平。然而，传统的熔炼方法在合成过程中难以获得纯相，因此，探索新的制备工艺成为提升材料性能的关键。例如，通过反应热压（reactive hot pressing）和等温热压（hot isostatic pressing）等方法，研究人员成功避免了杂质相的形成，从而提升了磁热性能。这些新型制备方法的应用为磁热材料的开发提供了新的可能性。

本研究的发现不仅有助于理解掺杂元素对AlFe?B?磁性能的影响机制，还为设计具有定制磁特性的磁热材料提供了理论依据。研究人员指出，Ge和Ga的掺杂能够有效提升磁熵变，而Sb的掺杂则可能对磁性能产生抑制作用。因此，在设计磁热材料时，需要根据目标应用需求选择合适的掺杂元素。此外，材料的相组成和微观结构也是影响磁热性能的重要因素，因此，优化这些参数对于提升材料的性能至关重要。

在当前的磁热材料研究中，许多研究集中在含有稀土元素的材料上，如Gd?Ge?Si?、MnFeP?.??As?.??、La(Fe???Si?)??和Y?.?Gd?.?Co?等。这些材料虽然具有较高的磁熵变，但其热磁滞后现象限制了其在实际应用中的效率。因此，开发不含稀土元素的磁热材料成为研究的热点。研究人员发现，AlFe?B?作为一种不含稀土元素的材料，其磁热性能在室温附近表现出良好的特性，这使其成为替代传统磁热材料的潜在候选。

为了进一步提升AlFe?B?的磁热性能，研究人员尝试通过掺杂不同的金属元素来调控其磁性行为。研究表明，Ge和Ga的掺杂能够有效提升磁熵变，而Sb的掺杂则可能对磁性能产生抑制作用。因此，在实际应用中，需要根据目标温度范围和冷却需求选择合适的掺杂元素。此外，材料的合成工艺对杂质相的控制至关重要，因此，优化合成条件是提升磁热性能的关键。

综上所述，本研究通过系统分析AlFe?B?掺杂Sb、Ge和Ga后的磁性和磁热效应，揭示了不同掺杂元素对材料性能的影响机制。这些发现不仅有助于理解磁热材料的调控规律，还为开发具有定制磁特性的新型磁热材料提供了理论支持。未来的研究可以进一步探索不同掺杂元素对材料性能的优化路径，以及新型制备工艺在提升磁热性能方面的潜力。通过这些研究，有望实现更高效、更环保的磁制冷技术，为可持续发展提供新的解决方案。