Tóm tắt nghiên cứu

Một nhóm nghiên cứu của Farid Labib, một nhà nghiên cứu tại tỷ lệ kèo nhà cái hôm nay Kỹ thuật Sáng tạo Vật liệu, tỷ lệ kèo nhà cái hôm nay Kỹ thuật Nâng cao, Đại học tỷ lệ kèo nhà cái hôm nay học Tokyo, và Giáo sư Tamura Takaharu, đã tổng hợp một GA-AU-PT Sự thay thế nguyên tố Hetero-giá trị, "đồng thời thay thế hai nguyên tố khác nhau bằng các giá trị khác nhau trong một gallium-platinum- (pt) -gadolinium- (gd) 2/1 xấp xỉ tinh thể (*1) thay thế nguyên tố nguyên tố hóa trị, "đồng thời thay thế hai nguyên tố khác nhau bằng các giá trị khác nhau và sử dụng một kỹ thuật mới gọi là" thay thế nguyên tố dị hợp đôi ", trong đó GA và PT được thay thế bằng GOL thay thế nguyên tố nguyên tố hóa trị, "trong đó GA và PT được thay thế bằng vàng (Au) và sử dụng một kỹ thuật mới gọi là" thay thế nguyên tố dị hợp đôi ", trong đó GA và PT được thay thế bằng GOL thay thế nguyên tố nguyên tố hóa trị, "trong đó GA và PT được thay thế bằng vàng (Au) và sử dụng một kỹ thuật mới gọi là" thay thế nguyên tố dị hợp đôi ", trong đó GA và PT được thay thế bằng GOL Thay thế nguyên tố dị hóaE/A) Ngoài ra, hợp chất tổng hợp là một cụ thểE/Ađã được tiết lộ cho thấy hiệu ứng từ tính tuyệt vời (*2)

Số điện tử hóa trị trung bình (E/A) là một tham số quan trọng chi phối cấu trúc tinh thể và tính chất từ ​​tính của vật chất Hầu hết các tinh thể Quasicrystalline và gần đúng là do phép cân bằng hóa học nội tại của chúng (*3)E/A= Nó được ổn định khoảng 2,00, hạn chế đáng kể sự tự do trong việc điều chỉnh thành phần Do đó, các vật liệu này thường thể hiện hành vi của Spinglass (*5) do sự thất vọng hình học (*4) và cạnh tranh trong các tương tác từ tính, khiến việc kiểm soát hệ thống các tính chất từ ​​tính trở nên khó khăn Những năm gần đây,E/Ađã thu hút sự chú ý, mở rộng phạm vi thành phần có thể của các hợp chất intermetallic vẫn là một vấn đề quan trọng Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng một kỹ thuật gọi là "thay thế nguyên tố hóa trị kép", đồng thời thay thế hai yếu tố không đồng nhất và thay đổi một cách có hệ thống tỷ lệ phần tửE/Ađã được kiểm soát

Trong nghiên cứu này, GA₅₂PT₃₄GD₁₄Thành phần bắt đầu là tinh thể gần đúng 2/1E/A112239_112349E/AThay đổi entropy từ đẳng nhiệt (δS_M) (*6):E/A= giá trị được cải thiện đáng kể ở mức 1,83, theo từ trường 5TδS_M= -87 J/K Mol-GD đã đạt được mức cao mọi thời đại như một vật liệu pha lê gần đúng Giá trị này có thể so sánh với các vật liệu từ tính đất hiếm chính Nhiệt độ chuyển đổi từ tính dao động từ 8,7 đến 14,9k, và các vật liệu này dự kiến ​​sẽ được áp dụng cho các hệ thống làm mát cách nhiệt và thiết bị làm mát ở các khu vực cực kỳ gây lạnh

Kết quả nghiên cứu này đã được công bố vào ngày 27 tháng 8 năm 2025, Tạp chí quốc tế"Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ"

Bối cảnh nghiên cứu

Số điện tử hóa trị trung bình (E/A) đề cập đến số lượng electron hóa trị trên mỗi nguyên tử, ví dụ, vàng (AU) là 1, nhôm (AL) và gadolinium (GD) là 3 và số điện tử hóa trị của mỗi nguyên tố được tính bằng cách nhân lên trọng lượng của thành phần và trung bình Các cấu trúc tinh thể như cấu trúc khối tập trung vào cơ thể, cấu trúc mật độ gần hình lục giác và quasicstallal là mỗi cụ thểE/Avà đã được sử dụng như một chỉ số quan trọng của các tính chất vật liệu

E/A113967_114114E/A114148_114217E/Asẽ thay đổi một cách có hệ thống trạng thái cơ bản từ thứ tự chống từ (cấu hình spin xoắn ốc) sang thứ tự sắt từ và sau đó trạng thái spinglass (1)

E/A114384_114446E/AMột trong những thách thức là sự điều chỉnh bị hạn chế đáng kể và mức độ tự do trong việc thay đổi thành phần, và do đó khó khăn trong việc kiểm soát các tính chất từ ​​tính Do đó, trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng một kỹ thuật mới gọi là "thay thế nguyên tố dị hóa kép", đồng thời thay thế hai loại nguyên tố không đồng nhất, để tạo ra một tinh thể gần đúngE/A, khu vực thành phần của nó đã được mở rộng rất nhiều Điều này đã thiết lập một phương pháp khắc phục các ràng buộc cân bằng hóa học thông thường và cho phép cải thiện tính chất từ ​​tính, bao gồm cả những thay đổi trong entropy từ đẳng nhiệt

*1: Thông cáo báo chí của Đại học tỷ lệ kèo nhà cái hôm nay học Tokyo (ngày 15 tháng 1 năm 2024)
Hiểu sơ đồ pha đơn lẻ của một tinh thể gần đúng kiểu Tsai - Kiến thức quan trọng cho thấy các tính chất vật lý của quasicrystals bí ẩn - | Đại học tỷ lệ cá cược tỷ lệ cá cược tỷ lệ cá cược kèo nhà cái học Tokyo

Chi tiết kết quả nghiên cứu

• Tổng hợp GA-AU-PT-GD 1/1 Tinh thể gần đúng

  Trình dịch GA₅₂PT₃₄GD₁₄Tinh thể xấp xỉ 2/1 đã được sử dụng làm thành phần bắt đầu, và một phần của GA và PT với các giá trị khác nhau đã được thay thế bằng AU bằng phương pháp tan chảy ARC trong bầu không khí argon và 12 loại cấu trúc GA-AUT-PT-GD của chúng được biểu thị thành công (cấu trúc của chúng Thay thế yếu tố đã thay đổi thứ tự của tinh thể gần đúng từ 2/1 thành 1/1, phá vỡ các ràng buộc cân bằng hóa học, dẫn đến sự gia tăng đáng kể về mức độ tự do trong thành phần Tinh thể xấp xỉ GA-AU-PT-GD 1/1 thu được có thể chấp nhận tới 35 tại% AU, đạt được sự duy trì đối xứng tinh thể, rất khó đối với nhiều hợp chất intermetallic Bởi sự thay thế nguyên tố này,E/ACó thể được kiểm soát theo chiều rộng từ 1,98 đến 1,60, và nó đã được tiết lộ rằng nó có ảnh hưởng lớn đến các tương tác trao đổi từ tính và các hiệu ứng từ tính

  

• Đặc điểm từ tínhE/Aphụ thuộc

  Bằng các phép đo khác nhauE/AThay đổi hệ thống về tính chất từ ​​tính do kiểm soát đã được tiết lộ Đối với các phép đo nhạy cảm từ tính dưới cách làm mát trường bằng không (Hình 4A) và làm mát từ trường,E/AKhi sự giảm xảy ra, một cao nguyên (phần phẳng), là một đặc điểm của thứ tự sắt từ, xuất hiện và nhiệt độ curie (T_C) (*7)E/A= 170 đã được xác nhận để đạt tối đa 14,9 K Đối với các phép đo từ hóa phụ thuộc từ trường (Hình 4B),E/A= GD cho tất cả các tinh thể xấp xỉ từ 160 đến 183³⁺Giá trị lý thuyết của ion (700 Pha_B(B đại diện cho mật độ từ thông)/gd³⁺) và từ trường bão hòa làE/A= 170 đã được tìm thấy có giá trị tối thiểu xấp xỉ 1 t (hình trong Hình 4) Điều này có nghĩa là tương tác từ tính sắt từ là mạnh nhất với cùng một thành phần Ngay cả trong các phép đo nhiệt cụ thể,E/A= 160, 174 và 183 tương ứngT_C= Xóa các dị thường chuyển tiếp từ 8,7 K, 14 K và 8,7 K đã được quan sát, với kết quả nhất quán Hơn nữa, phép đo tính nhạy cảm từ tính AC đã xác nhận hành vi spin-thủy tinh với một thành phần cụ thể;E/ANó đã được tiết lộ rằng vùng sắt từ và vùng Spinglass cùng tồn tại trong không gian tham số

  

• Thay đổi entropy từ đẳng nhiệt và đánh giá hiệu suất làm mát

  Kết quả phân tích bằng phương trình quan hệ Maxwell,E/A= 183, sự thay đổi entropy từ đẳng nhiệt đạt giá trị tối đa của nó, đạt được -8,7 J/k mol -GD dưới từ trường 5 T và -10,35 J/k mol -GD dưới từ trường 7 t Đây là cao nhất từ ​​trước đến nay đối với một vật liệu tinh thể gần đúng hoặc gần đúng Hơn nữa, phân tích nhiệt của các thay đổi entropy từ đẳng nhiệt tạo ra ranh giới (E/A= 160 và 183) Chúng tôi đã phát hiện ra một cấu trúc tối đa số ít với sự thay đổi entropy từ tính lớn nhất Trong vùng biênT_C| là mức tối thiểu, và đây là entropy từ đẳng nhiệt thay đổi thường được quan sát thấy trong các hợp chất đất hiếm trong đó các tương tác rkky (*8) chiếm ưu thếT_CCác vật liệu được phát triển lần này thể hiện hiệu suất vượt quá tinh thể xấp xỉ dựa trên AU thông thường 33%và RCO₂ya er₅SI₄

• Giáo sư Tamura của Đại học tỷ lệ kèo nhà cái hôm nay học Tokyo, người đã dẫn đầu nghiên cứu này, đã nhận xét về kết quả của nghiên cứu, "với tư cách là một chuyên gia về các tinh thể quasicstall, chúng tôi đã thúc đẩy nghiên cứu này có thể sử dụng các vật liệu được sử dụng ở mức độ trung bình đến chất lỏng helium, một nguồn tài nguyên hiếm "

• * Nghiên cứu này được thực hiện với các khoản tài trợ từ Hiệp hội nghiên cứu tỷ lệ kèo nhà cái hôm nay học của Nhật Bản (JSPS) (JP19H05817, JP19H05818, JP19H05819, JP21H01044 (JPMJCR22O3)

Thuật ngữ

*1: Tinh thể gần đúng
Một vật liệu có cấu trúc cục bộ giống như Quasicrystalline (cụm đối xứng cao), nhưng thường thể hiện cấu trúc tinh thể định kỳ Các số như 1/1 và 2/1 đại diện cho mức độ xấp xỉ với các tinh thể quasicstall và tỷ lệ này gần với tỷ lệ vàng (= 1618 ), các cấu trúc phức tạp hơn giống với quasicstall

*2: Hiệu ứng từ tính
Một hiện tượng trong đó entropy từ tính và nhiệt độ của vật liệu từ tính thay đổi khi một từ trường được áp dụng hoặc loại bỏ Điều này được sử dụng bởi công nghệ làm lạnh từ tính, thay thế cho điện lạnh khí thông thường (được làm mát bằng nitơ lỏng hoặc helium chất lỏng), nhưng khi từ trường thay đổi, nhiệt độ của vật liệu từ tính giảm, cho thấy hiệu ứng làm mát

*3: Stoichiometric
đề cập đến một trạng thái trong đó mỗi nguyên tử tạo thành một hợp chất bị ràng buộc theo một tỷ lệ nhất định Ví dụ, nước (H²O) luôn bao gồm một tỷ lệ của một nguyên tử oxy so với hai nguyên tử hydro và tỷ lệ số nguyên tử là cố định

*4: Thất vọng hình học
Các yếu tố cấu thành như nguyên tử và spin không thể đạt được trạng thái ổn định nhất về mặt năng lượng do các ràng buộc sắp xếp không gian và hình học

*5: Kính quay và vật liệu sắt từ
đề cập đến trạng thái từ tính trong đó khoảnh khắc từ tính (spin) được đóng băng theo hướng ngẫu nhiên Trong một ferromagnet bình thường, tất cả các spin đều phải đối mặt với cùng một hướng, nhưng trong một kính quay, các spin bị dừng di chuyển theo các hướng khác nhau do các tương tác từ tính cạnh tranh

*6: Thay đổi entropy từ tính đẳng nhiệt
Căn chỉnh các khoảnh khắc từ tính với từ trường làm giảm entropy từ (tạo nhiệt), và ngược lại, khi cắt từ trường tăng (hấp thụ nhiệt) Nó đề cập đến lượng thay đổi trong entropy từ tính xảy ra khi một từ trường bên ngoài được áp dụng trong các điều kiện mà nhiệt độ được giữ không đổi (đẳng nhiệt) Lượng điện lạnh cơ bản (hiệu ứng từ tính), với các đơn vị J · mol^-1· k^-1。

*7: Nhiệt độ Curie (T_C）
Nhiệt độ mà một vật liệu sắt từ thay đổi thành vật liệu thuận từ do nhiệt độ tăng

*8: Tương tác rkky
Một tương tác từ tính trong đó các khoảnh khắc từ tính ở khoảng cách ảnh hưởng gián tiếp đến nhau thông qua các electron tiến hành Tên này xuất phát từ tên của bốn nhà nghiên cứu đã tiết lộ về mặt lý thuyết hiện tượng này: Ruderman, Kittel, Kasuya và Yosida Đó là một trong những lý thuyết quan trọng trong việc hiểu làm thế nào từ tính đất hiếm xảy ra trong kim loại Trong các tinh thể Quasicrystalline và gần đúng, các tương tác RKKY là yếu tố chính, dẫn đến nhiều thứ tự từ (hoặc hành vi giống như kính spin)

Thông tin bài viết

Tên tạp chí

Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ

Tiêu đề giấy

120545_120703

tác giả

Farid Labib, Hiroyuki Takakura, Asuka Ishikawa, Takenori Fujii, Ryuji Tamura

doi

https: //doiorg/101021/jacs5c05947