Zero Thermal Expansion Effect and Enhanced Magnetocaloric Effect Induced by Fe Vacancies in Fe2Hf0.80Nb0.20 Laves Phase Alloys

Laves相 磁制冷 材料科学 凝聚态物理 铁磁性 热膨胀 反铁磁性 空位缺陷 合金 磁化 磁场 金属间化合物 冶金 量子力学 物理
作者
Qi Shen,Zeyu Zhang,C. de Vries,A. Iulian Dugulan,Niels van Dijk,E. Brück,Lingwei Li
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:36 (12): 6299-6305 被引量:14
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.4c01345
摘要

Zero thermal expansion (ZTE) materials with the advantage of an invariable length with varying temperatures are in high demand for modern industry but are relatively rare for metals. Fe-based Laves phases attract significant attention due to the rich and intriguing physical properties resulting from the coupling between crystal, electric, and magnetic structures. In this work, the structural, magnetic transition, thermal expansion, and magnetocaloric effect of single-phase Fe2–xHf0.80Nb0.20 Laves phase alloys were investigated by means of macroscopic magnetic measurements, Mössbauer spectroscopy, and X-ray diffraction at the temperature range of 4.2–400 K. With the introduction of Fe vacancies, the ZTE coefficient of −1.2 ppm/K is smaller than that (1.7 ppm/K) of stoichiometric Fe2Hf0.80Nb0.20 alloy. Meanwhile, the magnetic entropy change experiences an enhancement from 0.39 to 0.50 J/kg K at a magnetic field change of 2 T. These improved properties are attributed to the vacancy-induced coexistence of ferromagnetic and antiferromagnetic phases, as evidenced by variable-temperature X-ray diffraction and Mössbauer spectroscopy. This work unveils a promising avenue for new zero thermal expansion materials by controlling the vacancies at magnetic atom positions in Fe-based Laves phase alloys.
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