JPhys Energy编辑优选：双钙钛矿氧化物RE2NiTiO6磁制冷材料研究
文章介绍
Zhenqian Zhang（张振乾）, Peng Xu（徐鹏）, Youshun Jia（贾佑顺）, Lingwei Li（李领伟）
通讯作者：
- 李领伟，杭州电子科技大学/东北大学
本研究利用FULLPROF软件对RE2NiTiO6 (RE=Gd, Dy, Ho)的XRD衍射数据进行拟合精修，发现它们虽然均属于单斜晶体结构（空间群P21/n），但∠Ni-O-Ti平均角值随RE3+离子半径的减小呈现出单调递减的趋势，这说明该体系产生了晶格畸变现象，并由此导致了晶体对称性的降低（如图1所示）。
图1 (a) Gd2NiTiO6沿b轴方向的晶体结构图；(b-d) 各金属离子的配位环境图
第一性原理计算结果表明该体系的磁性主要由RE3+和Ni2+离子提供，相应的磁矩值分别为6.83和1.65μB/atom（Gd2NiTiO6）、5.81和1.66μB/atom（Tb2NiTiO6）、3.75和1.65μB/atom（Ho2NiTiO6）（如图2所示）。此外，基于自旋轨道耦合(SOC)的方法发现其磁矩随磁各向异性能的增大而减小（如图3所示）。
图2 RE2NiTiO6 (RE=Gd, Dy, Ho)计算得到的电子态密度
图3 RE2NiTiO6 (RE=Gd, Dy, Ho)计算得到的磁各向异性能
利用n(T)和归一化曲线对数据进行了拟合，其分别验证了RE2NiTiO6 (RE=Gd, Dy, Ho)在磁相变温度附近均属于二级铁磁相变（如图4所示）。此外，计算得到Gd2NiTiO6的磁熵变最大值为42.64J/kg∙K (0-70kOe)，其大小与商业化低温磁制冷材料GGG相当。
图4 RE2NiTiO6 (RE=Gd, Dy, Ho)的磁熵变曲线与相应的n(T)曲线；插图为归一化曲线
该项工作采用实验测试与理论模拟相结合的方法，揭示了晶格畸变对于RE3+和Ni2+离子之间的磁性相互作用的影响规律，并发现磁熵变值与磁各向异性能所呈现出的反比关系。本研究可为获得高性能磁制冷材料，以及进一步理解该类材料磁热性能的物理机制提供了新的实验数据和理论支持。
研究背景：
基于相变材料磁热效应而发展起来的磁制冷技术已成为获得mK级超低温的标准手段之一，并逐渐在低温资源的应用领域中展现出巨大潜力。磁热效应作为相变材料的内禀属性之一，是由磁场与磁亚晶格耦合而生，其磁熵变值的大小对于磁制冷技术的制冷能力及循环效率起到了关键性作用。作者团队基于前期对双钙钛矿氧化物的研究发现其电子、自旋和晶格等多种序参量之间具有强相互作用，而且在低温磁制冷技术中具有潜在的应用价值。为进一步探索研究这类材料的多种序参量与功能特性之间的关联，作者利用实验测试与理论模拟相结合的方法对重稀土双钙钛矿氧化物RE2NiTiO6 (RE=Gd, Dy, Ho)的晶体结构、磁性、电子结构及磁热效应进行了研究报道。
期刊介绍
- 2021年影响因子：7.528 Citescore:5.6
- JPhys Energy（JPENERGY）是一本高质量交叉学科的开放获取期刊，主要面向能源领域中各个领域的高质量研究。JPENERGY包含能源研究中最重要和最激动人心的进展，着重关注跨学科和多学科的研究。涵盖领域包括：电池和超级电容器；生物质和生物燃料；碳捕获和储存；电催化和光催化；能源收集装置；燃料电池；氢的制造和储存；生命周期评估；能源应用材料；太阳能转换和光伏；固态离子学，热电技术；水分解和人工光合作用等。