新型超顺磁稀土-过渡金属间化合物纳米胶囊的合成及其低温高磁熵变的机理研究

采用直流电弧等离子体法，制备以具有低温高磁熵变的超顺磁单相稀土-过渡金属间化合物RM2(R = Gd, Tb, Dy; M = Co, Ni, Mg, Cu, Si)纳米颗粒为内核，其相应的过渡金属氧化物为外壳的纳米胶囊。系统研究不同制备条件对纳米胶囊内核单相性和尺寸可控性的影响，阐明各类RM2纳米胶囊的形成规律。研究RM2纳米胶囊的微观结构、结晶状态、表面氧化状态和第三元素掺杂对其磁矩密度和磁晶各向异性的影响。阐明超顺磁RM2纳米胶囊的本征性质，即磁矩密度、磁晶各向异性、尺寸大小和分布对其低温磁熵变的影响机制。研究温度和磁场变化对RM2纳米胶囊低温磁熵变大小的影响规律。建立超顺磁RM2纳米胶囊的本征性质，外部条件（温度和磁场等）与其低温磁熵变之间关系的唯象理论模型。本项目研究为开发低温磁制冷材料提供了新的制冷体系，并为深入认识超顺磁纳米胶囊与其低温高磁熵变的关系提供实验和理论指导。

利用等离子体电弧法，蒸发R-M系（R=Gd, Tb, Dy; M=Co, Ni, Mg, Cu, Si）合金RxM100-x（x=10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90），制备了稀土-过渡金属间化合物纳米胶囊。发现稀土与铁磁性过渡金属之间易形成金属间化合物纳米胶囊，而非磁性过渡金属不易与稀土形成金属间化合物纳米胶囊。也发现，反应气氛中高H2分压有利于生成单相稀土-过渡金属间化合物纳米胶囊，高H2分压有利于生成单相反铁磁稀土氢化物，及高H2分压有利于生成自组装纳米胶囊链 (当H2分压大于0.1 Mpa)。成功制备了GdNi5、GdCo5、DyNi5、GdH2及Ni(C)纳米胶囊。稀土过渡金属间化合物与Ni纳米胶囊两相共存时，低温下具有较高的磁熵变。其中，GdNi5+Ni两相共存时，5K与5T磁场变化下，最高磁熵变可达13.8 J/(Kg K)。反铁磁GdH2纳米胶囊，在低温下具有较高的磁熵变，5K及7T磁场变化下，最高磁熵变可达6.1 J/(Kg K)。通过比较不同体系发现，稀土过渡金属间化合物纳米胶囊的平均粒径尺寸越小，越有利于在低温下提高其磁熵变。同时也发现，稀土过渡金属间化合纳米胶囊链在低温下具有较高的交换偏置场，GdCo5纳米胶囊在5K下的交换偏置场达1.63 kOe。另一方面，发现Ni(C)纳米胶囊在室温下具有在2-18GHz全频范围内-10dB的吸收(99%吸收)，Bi-Fe3O4纳米复合结构室温下具有较好的电磁特性，以及高量掺Mn的抗磁性拓扑绝缘体Bi1.85Mn0.15Te3具有45K的居里温度。