Дешевые магнитокалорические материалы на основе 3d металлов группы железа для бытовых и промышленных магнитных рефрижераторов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 26-22-20053

НазваниеДешевые магнитокалорические материалы на основе 3d металлов группы железа для бытовых и промышленных магнитных рефрижераторов

Руководитель Кучин Анатолий Георгиевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук , Свердловская обл

Конкурс №120 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-208 - Металлы. Сплавы. Неупорядоченные структуры

Ключевые слова Соединения 3d переходных металлов, магнитные свойства, магнитная структура, магнитокалорический эффект, электронная структура, электронные корреляции, первопринципные расчеты, структурный беспорядок, синтез моно- и поликристаллов

Код ГРНТИ29.19.39

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на синтез и комплексное экспериментально-теоретическое исследование новых многокомпонентных интерметаллических соединений с перспективными для практического применения магнитными и магнитокалорическими свойствами на основе соединений Mn4FeSi3-yTy (Т = Mn, Fe, Cr, Co, Ni). Безотлагательным в настоящее время является поиск новых магнитных материалов для бытовых и промышленных магнитных холодильников благодаря их высокой экологичности, в отличие от нынешних экологически вредных, работающих на фреоне. Исходное соединение Mn4FeSi3 характеризуется температурой магнитного упорядочения в районе комнатной температуры и умеренным магнитокалорическим эффектом при магнитном фазовом переходе второго рода. Частичное замещение кремния на 3d металл в Mn4FeSi3 будет проведено впервые. Частичным замещением кремния на 3d металл в Mn4FeSi3 предполагается увеличить полный магнитный момент и, тем самым, магнитокалорический эффект соединения. В случае практического применения соединения Mn4FeSi3-yTy, обращает на себя внимание дешевизна, доступность и экологичность его компонентов. Впервые будут выполнены теоретические расчеты с целью исследование магнитных свойств, структурных характеристик и электронной структуры. Предполагается изучить спонтанные и вынужденные магнитные фазовые переходы, определить температуры магнитных превращений, изучить кривые намагничивания и магнитокалорический эффект (МКЭ) при магнитных фазовых переходах. Теоретические исследования зонной структуры соединений будут проводиться в рамках первопринципного подхода с использованием современных программных пакетов с учетом сильных электронных корреляций и спин орбитального взаимодействия. В рамках первопринципных методов будет исследовано влияние возможной нестехиометрии для соединений с разными составами на электронные и магнитные характеристики. Будет теоретически исследована стабильность различных типов ферромагнитного и антиферромагнитного упорядочений, что позволит предположить возможный вынужденный метамагнитный переход под действием магнитного поля. Проведенные экспериментальные и теоретические исследования позволят установить, как соотносятся магнитные, магнитотепловые, структурные и электронные параметры изучаемых соединений. Ожидается, что комплексное исследование позволит выявить корреляции и основные закономерности в зависимостях от составов, кристаллической структуры, магнитных характеристик и электронной структуры, что позволит прогнозировать новые магнитные материалы, полезные для практического применения.

Ожидаемые результаты
Планируется провести синтез и экспериментально-теоретическое исследование магнитных и электронных свойств новых соединений на основе переходных 3d металлов и Si. В качестве объектов исследования запланированы сплавы замещения кремния 3d металлами Mn4FeSi3-yTy (Т = Mn, Fe, Cr, Co, Ni) на основе перспективных для бытовых магнитных холодильников рабочих магнитных материалов типа Mn5-xFexSi3. Частичное замещение кремния на 3d металл в соединениях типа Mn5-xFexSi3 будет проведено впервые. Будут изучены структурные характеристики, спонтанные и вынужденные магнитные фазовые переходы с изменением состава, определены температуры магнитных фазовых переходов, изучены кривые намагничивания, а также магнитокалорический эффект (МКЭ) в системах при магнитных фазовых переходах. В случае сплавов Mn4FeSi3-yTy (Т = Mn, Fe, Cr, Co, Ni) будут предприняты попытки по увеличению значений МКЭ и корректировки TC в район комнатной температуры путем варьирования (нецелочисленного) содержания компонент или частичного замещения компонент с целью изменения числа электронов проводимости или/и уменьшения расстояния между ионами Mn. Для полученных образцов Mn4FeSi3-yTy (Т = Mn, Fe, Cr, Co, Ni) с нестехиометрическим содержанием компонент или частичным замещением компонент будут вычислены электронная структура, плотности электронных состояний, величины магнитных моментов и параметры обменных взаимодействий. В данном проекте микроскопическая природа электронных и магнитных свойств этих материалов будет изучаться компьютерным моделированием при помощи современных методов зонных расчетов. Детальный анализ и сопоставление экспериментальных и теоретических результатов позволит исследовать поведение структурных, электронных и магнитных свойств изучаемых соединений, что будет способствовать выявлению материалов с наиболее перспективными характеристиками. Для изучаемых соединений в рамках моделирования зонными методами с учетом сильных электронных корреляций будут впервые вычислены электронная структура, плотности электронных состояний, величины магнитных моментов и параметры обменных взаимодействий. Для теоретических расчетов будут использоваться экспериментальные данные о структуре кристаллов, позициях атомов и параметрах кристаллической решетки образцов. Дополнительно будут определены величины параметров кулоновского и обменных параметров для всех составов. Будет исследовано влияние возможных нестехиометрий и структурных дефектов на перечисленные электронные и магнитные характеристики с целью установления систематики в количественных и качественных изменениях. Для всех полученных экспериментально составов образцов будет проведено теоретическое исследование стабильности различных типов ферромагнитного и антиферромагнитного упорядочений. Это позволит предположить возможный метамагнитный переход под действие магнитного поля. Будут выявлены наиболее стабильные и ближайшие к ним по полной энергии типы магнитного упорядочения как дальнего порядка, так и выгодность реализации ближнего порядка в различных подрешетках.Полученные в данном проекте экспериментальные и теоретические результаты могут быть использованы в качестве рекомендаций для целенаправленного улучшения функциональных свойств исследуемых систем. Более подробно ожидаемые результаты представлены в пункте 4.6. Запланированные к изучению объекты находятся в тренде изучаемых в мире сплавов, запланированные результаты соответствуют мировому уровню и можно ожидать их практическое использование в экономике. Замена повсеместных экологически вредных фреоновых рефрижераторов на высокоэкологичные и экономичные магнитные рефрижераторы будет способствовать развитию экономики и улучшению окружающей среды.