Manyetokalorik etki gösteren La0.67Ba0.33MnO3 perovskit manganit bileşiğinin manyetik soğutma teknolojisinde kullanılabilirliğinin incelenmesi

Öz

Perovskit manganit yapılı bileşikler yüksek manyetokalorik etki (MKE) ve devesa manyetodirenç (DMD) etkileri göstermeleri nedeniyle son yıllarda oldukça yaygın olarak çalışılan malzemelerdir. ABO3 formundaki perovskit manganit bileşikleri, ideal durumda iken antiferromanyetik ve yalıtkan özellik sergilerken, A-bölgesine yapılan +1 ve/veya +2 değerlikli element katkısı ile ferromanyetik ve iletken özellik göstermektedir. Perovskit manganit bileşikler elektriksel ve manyetik özelliklerini katkılamalar ile değiştirilebilir ve yığın olarak kolayca üretilerek şekillendirilebilir olmasının yanında, gösterdikleri yüksek MKE nedeniyle yeni tip soğutucu elemanı olarak manyetik soğutma (MS) sistemlerinde etkin olarak kullanılacak yeni tip malzeme olma özelliği taşımaktadır. Bu çalışmada, alaşımlar yerine daha ucuza mal edilen ve şekillendirilmesi kolay olan perovskit manganit bileşiği ele alınmıştır. İdeal durumdaki LaMnO3 perovskit manganit bileşiğinde La eksiltilerek yerine %33 (1/3) oranında Ba katkılanmıştır. Ba katkılanan La0.67Ba0.33MnO3 bileşiği sol-jel metodu kullanılarak üretilmiş ve yığın olarak elde edilmiştir. Daha sonra örnek 1000oC’de 24 saat ısıl işleme tabi tutulmuş, yapısal ve manyetik özellikleri incelenmiştir. Perovskit manganit bileşiğin X-ışınları kırınım deseni üzerinden yapılan arıtım sonucunda bileşiğin kübik yapıda olduğu tespit edilmiş ve Pm3m uzay grubuna ait olduğu bulunmuştur. SEM analizlerinden tane boyutunun 100-200 nm aralığında değiştiği gözlenmiştir. Sıcaklığa bağlı yapılan mıknatıslanma ölçümlerinden La0.67Ba0.33MnO3 perovskit manganit bileşiğinin Curie geçiş sıcaklık (TC) değeri 341 K, 1 T manyetik alan altında hesaplanan manyetik entropi (-ΔSM) değeri 0.87 Jkg/K ve manyetik soğutucu malzeme olarak kullanılabilirliğini gösteren göreli soğutma gücü (RCP) değeri 38 J/kg olarak hesaplamıştır.

Anahtar Kelimeler

• Manyetokalorik etki
• perovskit manganit
• manyetik soğutma

Examination of the usability of La0.67Ba0.33MnO3 perovskite manganite compound with magnetocaloric effect in magnetic cooling technology

Öz

Perovkite manganite structures are widely studied materials in recent years because of their high magnetocaloric effect (MCE) and colossal magnetoresistance effect (CMR). While it is an ideal structure, ABO3 perovskite manganite compounds show antiferromagnetic and insulating property. When in ideal condition, they show ferromagnetic and conductive properties with the addition of +1 and / or +2 valence elements to the A-region. Perovskite manganite compounds can be changed with additives for their electrical and magnetic properties and can be easily produced and shaped in bulk, as well as being a new type of material to be used effectively in magnetic cooling (MS) systems as a new type of cooling element due to their high MCE. In this study, instead of alloys, the perovskite manganite compound, which is cheaper and easy to shape, is discussed. In the ideal condition, LaMnO3 perovskite manganite compound was replaced by Ba with 33% (1/3), by reducing La. The Ba doped La0.67Ba0.33MnO3 compound was produced using the sol-gel method and was obtained in bulk. Then, the sample was heat treated at 1000oC for 24 hours and its structural and magnetic properties were examined. The perovskite manganite compound was purified on the X-ray diffraction pattern, and it was found that the compound has a cubic structure and belongs to the Pm3m space group. It was observed from SEM analysis that the particle size varied between 100-200 nm. From temperature-dependent magnetization measurements, the Curie transition temperature (TC) value of La0.67Ba0.33MnO3 perovskite manganite compound is 341 K, the magnetic entropy (-ΔSM) value calculated under 1 T magnetic field is 0.87 Jkg/K and the relative cooling power showing its usability as a relative cooling power (RCP) value calculated the value as 38 J/kg.

Anahtar Kelimeler

• Magnetocaloric effect
• perovskite manganite
• magnetic cooling

Kaynakça

1. Debye, P., Einige Bemerkungen zur Magnetisierung bei tiefer Temperatur, Annalen der Physik, 81, 1154, (1926).
2. Brück E., Developments in magnetocaloric refrigeration, Journal of Physics D:Applied Physics, 38, 23, 380--391, (2005).
3. Giauque, W.F., A Thermodynamic Treatment of Certain Magnetic Effects. A Proposed Method to Produce Temperatures Considerably below 1o absolute, Journal of the American Chemical Society, 49, 1864, (1927).
4. Koubaa Rouhou W.C., Koubaa M., Cheikhrouhou A., Structural, magnetotransport, and magnetocaloric properties of La0.7Sr0.3-xAgxMnO3 perovskite manganites, Journal of Alloys and Compounds, 453, 1, 42-48, (2006).
5. Jonker, G.H., Ferromagnetic Material, Physica, 22, 707, (1956).
6. Jonker, G.H., Van Santen, J.H., Ferromagnetic Compounds of Manganese with Perovskite Structure, Physica, 16, 337-349, (1950).
7. Ju, H.L., Nam, Y.S., Lee, J.E., Shin, H.S., Anomalous Magnetic Properties and Magnetic Phase Diagram of La1-xBaxMnO3, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 219, 1-8, (2000).
8. Samancıoğlu, Y., Manganit tabanlı perovskit yapıdaki bileşiklerin ince film ve yığın malzeme olarak üretilmesi, yapısal, elektriksel ve manyetik özelliklerinin araştırılması, Doktora Tezi, Muğla Sıtkı Koçman Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Muğla, (2014).

9. Mitchell, J.F., Argyriou, D.N. and Jorgensen, J.D., Colossal Magnetoresistive Oxides, Gordon & Breach Science Publishers, 189, (2000).
10. Morelli, D.T., Mance, A.M., Mantese J.V., Micheli, A.L., Magnetocaloric Properties of Doped Lanthanum Manganite Films, Journal of Applied Physics, 79, 373, (1996).
11. Samancıoğlu Y., Coşkun A., Magnetic properties of A- and B-site cation doped La0.65Ca0.35MnO3 manganites, Journal of Alloys and Compounds, 507, 2, 380-385, (2010).
12. Trukhanov, S.V., Magnetic and Magnetotransport Properties of La1-xBaxMnO3-x/2 Perovskite Manganites. Journal of Materials Chemistry, 13, 347-352, (2003).
13. Samancıoğlu Y., Coşkun A., Magnetic properties of A- and B-site cation doped La0.65Ca0.35MnO3 manganites, Journal of Alloys and Compounds, 507, 2, 380-385, (2010).
14. Pecharsky, V.K. ve Gschneidner, Jr.K.A., Phase Relationships and Crystallography in the Pseudobinary System Gd5Si4Gd5Ge4., Journal of Alloys and Compounds, 260, 98, (1997).
15. Taşarkuyu E., Coşkun a., Irmak A.E., Aktürk S., Ünlü G., Samancıoğlu Y., Yücel A., Sarıkürkçü C., Aksoy S., Acet M., Effect of high temperature sintering on the structural and the magnetic properties of La1.4Ca1.6Mn2O7, Journal of Alloys and Compounds, 509, 9, 3717-3722, (2011).
16. Pecharsky, V.K. ve Gschneidner, Jr. K.A., Effect of Alloying on the Giant Magnetocaloric Effect of Gd5(Si2Ge2). Journal of Magnetism and Magnetic Material, 70, 179, (1997).
17. Pecharsky, V. K. ve Gschneidner, Jr.K.A., Advances in Cryogenic Engineering, edited by p.Kittel 43, 1729, (1998).
18. Phan, M.H. and Yu, S.C., Review of the Magnetocaloric Effect in Manganite Materials, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 285, 199-203, (2007)
19. Warbung, E., Magnetische Untersuchungen. Annalen der Physik, 13, 141-164, (1881).
20. Zhong, W., Cheng, W., Au, C.T., Du, Y.W., Dependence of Magnetocaloric Effect on Oxygen Stoichiometry in Policrystalline La2/3Ba1/3MnO3-δ, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 261, 238-243, (2003).
21. Belenky, L.J., Ke, X., Rzchowski M., Eom, C.B., Epitaxial La0.67Sr0.33MnO3/ La0.67Ca0.3MnO3 superlattices, Journal of Applied Physics, 97, (2005).
22. Banerjee, B.K. On a Generalised Approach to First and Second Order Magnetic Transitions, Physics Letters, 12, 16-17, (1964).
23. Zener, C., Interaction Between the d-shells in the Transition Metals II. Ferromagnetic Compounds of Manganese with the Perovskite Structure, Physical Review, 82, 403-405, (1951)
24. Trukhanov, S.V. Magnetic and Magnetotransport Properties of La1-xBaxMnO3-x/2 Perovskite Manganites, Journal of Materials Chemistry, 13, 347-352, (2003).