反铁磁Ba5Zn4Gd8O21氧化物的磁热效应与低温磁制冷性能研究

本文系统研究了新型钆基氧化物Ba5Zn4Gd8O21的晶体结构、磁性质及低温磁热效应（MCE）。该材料在奈尔温度（TN≈3.6 K）呈现反铁磁有序，在7 T磁场变化下展现出16.02 J/kg·K的最大磁熵变和146.37 J/kg的制冷容量，为低温磁制冷技术提供了高性能候选材料。

　　

Highlight

本研究首次报道了Ba₅Zn₄Gd₈O₂₁氧化物在低温下的显著常规/逆磁热效应，其优异的制冷性能（ΔS_mag^max=16.02 J/kg·K，RC=146.37 J/kg）源于奈尔温度附近磁场诱导的一级磁相变。

Experimental details

采用固相反应法合成多晶Ba₅Zn₄Gd₈O₂₁样品。按化学计量比称取BaCO₃、Gd₂O₃和ZnO原料（纯度≥99.9%），其中BaCO₃额外添加10%以补偿高温挥发。原料经玛瑙研钵充分研磨混合后，在1123 K空气中预烧结15小时。

Results and discussion

图1(a)显示室温PXRD图谱精修结果证实样品呈单相四方结构（空间群I4/m）。精修参数R_p=4.35%，R_wp=6.26%，R_exp=2.60%，χ²=5.82%表明结构模型可靠性。XPS分析确认金属离子价态为Gd³⁺、Ba²⁺和Zn²⁺。静态磁场（H=0.1 T）下的磁化率曲线揭示其在T_N≈3.6 K处发生反铁磁有序转变。等温磁化测量表明该材料在T_N以下存在磁场诱导的一级磁相变，从而产生显著磁热效应。在0-7 T磁场变化下，获得最大磁熵变（-ΔS_mag^max=16.02 J/kg·K）、温度平均熵变（13.91 J/kg·K@7 K）、制冷容量（146.37 J/kg）和相对制冷功率（178.83 J/kg）等综合性能参数。

Conclusions

通过固相反应成功制备的Ba₅Zn₄Gd₈O₂₁氧化物具有四方晶体结构（空间群I4/m）。首次系统的磁性能研究表明其呈现反铁磁基态，并在低温下展现出优异的磁热性能。高对称性晶体结构中Gd³⁺离子的高含量及其弱反铁磁相互作用共同促成了显著的磁熵变，证明该材料在低温磁制冷领域具有重要应用潜力。