First order magnetostructural transitions in the Fe-doped MnNiGe magnetic equiatomic compound

Abstract

Magnetisks kjøleteknologi basert på den magnetokaloriske effekt er en miljøvennlig og teknologi med høy virkningsgrad. Teknologien har et stort potensiale og kan i fremtiden vise seg å være en fornuftig erstatning av tradisjonell, mindre effektiv gass-kompresjons kjøleteknologi [1]. En signifikant magnetokalorisk effekt har blitt rapportert i materialer som gjennomgår en magnetostrukturell faseovergang [2]. Målet med denne oppgaven er å etablere en magnetostrukturell faseovergang i en MnNiGe legering med variert Fe-erstatning, og videre undersøke legeringens potensiale som et magnetisk kjølemateriale. Totalt elleve Mn1−XFeXNiGe og MnNi1−XFeXGe legeringer ble syntetisert og undersøkt. Strukturelle endringer som en funksjon av Fe-erstatning ble påpekt ved bruk av røntgen og nøytron diffraksjon. Magnetiske faseoverganger ble undersøkt ved hjelp av et physical property measurement system. Termodynamiske egenskaper ble undersøkt for a å bestemme strukturelle faseovergangstemperaturer til prøvene. Disse egenskapene ble undersøkt ved hjelp av et kalorimeter. En analyse av prøvenes element-sammensetning ble utført ved hjelp av et elektronmikroskop. MnNiGe legeringen viser seg å ha en primitiv orthorombisk krystallstruktur ved rom temperatur. Med tilstrekkelig Fe-erstatning av Mn eller Ni får legeringen en heksagonal krystallstruktur. Denne (diffusjonsløse martensittiske) transformasjonen forekommer også ved temperaturendring av materialet. Den strukturelle faseovergangstemperaturen reduseres markant ved høyere jerninnhold i prøven. Dette gjør det mulig å justere faseovergangstemperaturen mot romtemperatur, noe som er ønskelig hvis materialet skal brukes i et magnetisk kjøleskap. Magnetiske målinger påviser etablering av en magnetostrukturell faseovergang idet nok jern er introdusert i legeringen. Både magnetiske og strukturelle faseoverganger viste hysterese. Dette er assosiert med effekttap ved bruk magnetisk kjøleteknologi. For Mn0.85Fe0.15NiGe legeringen ble maksimum entropi endring under en magnetostrukturell faseovergang (trigget at et magnetisk felt på Δ𝐻����=2 𝑇����) beregnet til 6.46 JKg∗K. Legeringen viser seg å være en god kandidat som et magnetisk kjølemateriale.

Solid state refrigeration based on the magnetocaloric effect is an efficient and environmental friendly cooling technology. It holds great promise as a futuristic replacement of the traditional, less efficient vapor compression technology [1]. A Giant magnetocaloric effect has been reported in materials undergoing a magnetostructural transition [2]. The aim of this master thesis is to establish a magnetostructural transition in the magnetic equiatomic MnNiGe alloy by Fe-substitution and investigate the intermetallic compound’s potential as a magnetic refrigerant. A total of eleven Mn1−xFexNiGe and MnNi1−xFexGe samples were synthesized and characterized. Structural changes as a function of elemental composition were determined using X-ray and neutron diffraction. Magnetic ordering temperatures were investigated by the physical property measurement system. Thermodynamic properties were investigated for determination of structural transitions temperatures of the samples. These properties were investigated by the use of differential scanning calorimetry. An analysis of compound’s morphology and elemental composition was performed using a scanning electron microscope. The MnNiGe compound forms a primitive orthorhombic crystal structure at room temperature. As a sufficient amount of Fe is substituted on the Mn or Ni site of the compound, the material forms a primitive hexagonal crystal structure. This diffusionless martensitic transformation is also triggered by sample temperature regulation. The structural transition-temperature of the samples is significantly reduced with higher Fe content. This makes the transition-temperature tunable towards room temperature, which is desired for magnetic refrigeration technologies. Magnetic measurements indicate the establishment of a magnetostructural transition with sufficient Fe-substitution. Both the magnetic and structural transition indicated hysteresis, which is associated with effect loss in a magnetic heat pump device. The Mn0.85Fe0.15NiGe shows a maximum entropy change of 6.46 JKg∗K during a magnetostructural transition triggered by a magnetic field Δ𝐻���=2 T. The alloy appears to a good candidate magnetic refrigerant material.