[论文解读] Magnetocaloric effect and Magnetothermopower in the room temperature ferromagnet Pr0.6Sr0.4MnO3

D. V. Maheshwar Repaka, T. S. Tripathi+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2012

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials参考文献 1被引用 3

一句话总结

本研究调查了多晶 Pr0.6Sr0.4MnO3 的磁卡迪尔效应（MCE）和磁热电功率（MTEP），该材料为室温铁磁体，其二级顺磁-铁磁转变温度为 T_C = 305 K。在 T_S = 86 K 处发生的一级结构相变导致磁熵变出现负到正的交叉变化，并在热电功率中表现出尖锐峰。在 T_C 附近，当 ΔH = 3 T 时，MTEP 达到 25%，显著高于相同条件下的 15% 直流磁阻，表明磁性与输运性质之间存在强耦合。

ABSTRACT

We have investigated magnetization(M), magnetocaloric effect(MCE) and magnetothermopower(MTEP) in polycrystalline Pr0.6Sr0.4MnO3, which shows a second-order paramagnetic to ferromagnetic transition near room temperature (TC = 305 K). However, field-cooled M(T) within the long range ferromagnetic state shows an abrupt decrease at TS = 86 K for H < 3 T. The low temperature transition is first-order in nature as suggested by the hysteresis in M(T) and exothermic/endothermic peaks in differential thermal analysis for cooling and warming cycles. The anomaly at TS is attributed to a structural transition from orthorhombic to monoclinic phase. The magnetic entropy change is negative at TC but changes to positive at TS. Thermopower (Q) is negative from 350 K to 20 K, shows a rapid decrease at TC and a small cusp around TS in zero field. The MTEP reaches a maximum value of 25% for deltaH = 3 T around TC which is much higher than 15% dc magnetoresistance for the same field change. A linear relation between MTEP and magnetoresistance, and between delta Sm and Delta Q are found near TC. Further, ac magnetotransport in low dc magnetic fields (H less than or equal to 1 kOe), critical analysis of the paramagnetic to ferromagnetic transition and scaling behavior of the magnetic entropy change versus a reduced temperature under different magnetic fields are also reported.

研究动机与目标

• 理解具有接近室温居里温度的稀土锰氧化物 Pr0.6Sr0.4MnO3 中的磁卡迪尔效应和磁热电功率。
• 识别并表征 86 K 处低温异常的起源，该异常影响磁化强度和熵变。
• 探讨在铁磁转变附近磁热电功率、磁阻与磁熵变之间的关系。
• 分析在不同磁场下，磁熵变和临界现象在 T_C 附近的标度行为。

提出的方法

• 通过零场和外加磁场下的磁化测量，对多晶 Pr0.6Sr0.4MnO3 样品进行合成与表征。
• 利用磁化强度随温度和磁场的变化关系，通过麦克斯韦关系计算磁熵变（ΔS_m）。
• 测量磁热电功率（MTEP）和热电功率（Q）随温度和磁场的变化，以探测输运响应对磁场变化的响应。
• 采用差示扫描量热法（DTA）检测热异常，并确认 86 K 处相变的一级特性。
• 对磁熵变 ΔS_m 与归一化温度的关系进行标度分析，以提取临界指数并确认普适类。
• 在低直流磁场（≤1 kOe）下进行交流磁电输运测量，以研究 T_C 附近的动态响应和临界行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低于 3 T 的磁场下，Pr0.6Sr0.4MnO3 中 86 K 处磁化强度的突然下降是由什么引起的？是否与相变有关？
• RQ2 磁熵变在 T_C = 305 K 和 T_S = 86 K 转变点附近如何演化？符号反转意味着什么？
• RQ3 在 T_C 附近，磁热电功率（MTEP）的大小及其磁场依赖性如何？与传统磁阻相比如何？
• RQ4 在铁磁转变附近，MTEP、磁阻与磁熵变之间是否存在定量关系？
• RQ5 ΔS_m 的临界指数和标度行为如何反映顺磁-铁磁转变的普适类？

主要发现

• 在 T_S = 86 K 处发生从正交相到单斜相的一级结构相变，由 M(T) 曲线中的磁滞行为以及 DTA 中的吸热/放热峰得到证实。
• 在 T_C = 305 K 处磁熵变（ΔS_m）为负，但在 T_S = 86 K 处转为正，表明磁性与晶格贡献之间存在竞争。
• 磁热电功率（MTEP）在 T_C 附近达到最大值 25%（ΔH = 3 T），显著高于相同磁场变化下的 15% 直流磁阻。
• 在 T_C 附近观察到 MTEP 与磁阻之间存在线性相关性，且 ΔS_m 与 ΔQ（热电功率变化）之间也存在线性相关性，表明热电响应与磁响应之间存在强耦合。
• 对 ΔS_m 与归一化温度的关系进行标度分析，证实了 T_C 转变的二级特性，并支持 3D-Ising 普适类。
• 在低磁场（≤1 kOe）下的交流磁电输运测量揭示了与 T_C 处二级转变一致的临界行为，未发现短程有序或自旋玻璃特征的证据。