Influence of replacement of Mn by Cr on magnetocaloric properties of quenched NiMn₁₋xCrxGe alloys

Abstract

In this paper, the crystallographic, magnetic, thermomagnetic, and magnetocaloric properties of the quenched NiMn₁₋xCrxGe (x = 0.04, 0.18 and 0.25) half-Heusler alloys have been studied by x-ray diffraction, differential scanning calorimetry and magnetization measurements. An influence of partial substitution of Cr for Mn and quenching of the samples on the character of structural and magnetic phase transitions is presented. Quenching of the alloys results in the formation of two phase (orthorhombic and hexagonal) crystal structure. The magnetic properties were investigated by means of magnetization measurements over a wide temperature (5–400 K) and magnetic field (up to 60 kOe) ranges. The experimental data indicate that at quenching and with increasing Cr content the magnetic order changes from antiferromagnetic to ferromagnetic. Hardened compounds exhibit a thermal hysteresis in the vicinity of the magnetic phase transition, what is characteristic for a first-order magnetic phase transition. The magnetic phase transition temperatures are decreased as a result of quenching of the samples. The magnetic entropy changes were calculated using the field dependences of isothermal magnetization in terms of the thermodynamic Maxwell relation. The magnetic entropy changes, |ΔSMmax|, obtained for the hardened alloys with x = 0.25 have the maximum value equal to 23 J/(kg·K) near the magnetic phase transition for a field change of ΔH = 0–60 kOe.

Досліджено кристалографічні, магнітні, термомагнітні та магнітокалоричні властивості загартованих half-Heusler сплавів NiMn₁₋xCrxGe (x = 0,04, 0,18 та 0,25) за допомогою рентгенівської дифракції, диференціальної скануючої калориметрії та вимірювань намагніченості. Вивчено вплив часткової заміни Cr на Mn та гартування зразків на характер структурних та магнітних фазових переходів. Гартування сплавів призводить до утворення двофазної (ромбічної й гексагональної) кристалічної структури. Магнітні властивості досліджувалися за допомогою вимірювань намагніченості в широкому діапазоні температур (5–400 К) і магнітного поля (до 60 кЕ). Експериментальні дані показують, що при гартуванні та збільшенні вмісту Cr магнітне впорядкування змінюється від антиферомагнітного до феромагнітного. Загартовані сполуки виявляють тепловий гістерезис поблизу магнітного фазового переходу, що характерно для магнітного фазового переходу першого роду. Температури магнітного фазового переходу зменшуються в результаті загартування зразків. Зміни магнітної ентропії розраховано з використанням польових залежностей ізотермічної намагніченості в термінах термодинамічного співвідношення Максвелла. Зміна магнітної ентропії, |ΔSM max|, отримана для зміцнених сплавів з x = 0,25, має максимальне значення 23 Дж/(кг·К) поблизу магнітного фазового переходу при зміні поля ΔH = 0–60 кЕ.