室溫附近碲化鉻 (Cr2Te3) 中的磁熱效應

核心概念

碲化鉻 (Cr2Te3) 作為一種具有近室溫磁相變特性的材料，在磁熱製冷應用中展現出巨大潛力，其具有顯著的熵變和較大的製冷能力。

摘要

研究論文摘要

書目資訊：

Tiwari, N., Gowda, C. C., Mishra, S., Pandey, P., Talapatra, S., Singh, A. K., & Tiwary, C. S. (2024). Magnetocaloric effect near room temperature in chromium telluride (Cr2Te3).

研究目標：

本研究旨在探討碲化鉻 (Cr2Te3) 的磁熱效應，特別關注其在室溫附近磁製冷應用的潛力。

研究方法：

研究人員採用感應熔煉法合成 Cr2Te3 合金，並通過 X 射線繞射、掃描電子顯微鏡、高角度環形暗場掃描透射電子顯微鏡和 X 射線光電子能譜等技術對其進行結構表徵。他們使用超導量子干涉儀測量了材料的磁性和磁熱效應，並進行了密度泛函理論 (DFT) 計算來驗證實驗結果。

主要發現：

• Cr2Te3 在 184.5 K 處表現出鐵磁到順磁的轉變，在 293 K 附近表現出順磁到反鐵磁的轉變。
• 在 0.1 T 的低磁場下，Cr2Te3 的熵變 (∆SM) 約為 2.36 J/kg-K，製冷能力 (RC) 約為 160 J/kg。
• DFT 計算證實了實驗觀察到的居里溫度 (TC) 和奈爾溫度 (TN)，並揭示了 Cr2Te3 在不同溫度下的結構變化。
• 熱成像技術成功地將 Cr2Te3 的磁熱效應可視化。

主要結論：

Cr2Te3 是一種很有前途的室溫磁熱材料，具有顯著的熵變、較大的製冷能力和較寬的工作溫度範圍。

研究意義：

這項研究突出了 Cr2Te3 在磁製冷應用中的潛力，並為開發高效、環保的製冷技術開闢了新的途徑。

局限性和未來研究方向：

未來的研究可以集中於優化 Cr2Te3 的合成條件，以提高其磁熱效應，並探索其在實際磁製冷設備中的應用。

統計資料

Cr2Te3 在 0.1 T 的磁場下，熵變 (∆SM) 約為 2.36 J/kg-K。
Cr2Te3 的製冷能力 (RC) 約為 160 J/kg。
Cr2Te3 在 184.5 K 處表現出鐵磁到順磁的轉變。
Cr2Te3 在 293 K 附近表現出順磁到反鐵磁的轉變。

引述

從以下內容提煉的關鍵洞見

Magnetocaloric effect near room temperature in chromium telluride (Cr2Te3)

by Nishant Tiwa... 於 arxiv.org 11-19-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.11154.pdf

深入探究

Cr2Te3 與其他室溫磁熱材料相比如何，其性能優勢和劣勢是什麼？

Cr2Te3 作為一種室溫磁熱材料，與其他材料相比具備以下優勢：

接近室溫的磁相變溫度: Cr2Te3 在接近室溫的溫度範圍內（約 290 K）表現出順磁-反鐵磁相變，使其適用於室溫磁製冷應用。
較大的磁熵變: 在較低的磁場強度（0.1 T）下，Cr2Te3 展現出 2.36 J/kg-K 的顯著磁熵變，與其他鉻基化合物相當，並優於部分過渡金屬硫族化合物。
較寬的工作溫度範圍: Cr2Te3 的磁熵變在較寬的溫度範圍內保持較高水平，意味著其具有較大的製冷能力（RC），約為 160 J/kg。
合成方法簡單、成本較低: 與稀土基合金和 Heusler 合金相比，Cr2Te3 的合成過程相對簡單，成本更低，有利於大規模生產和應用。
然而，Cr2Te3 也存在一些劣勢：

磁熵變值相對較低: 與一些表現出巨磁熱效應 (GMCE) 的材料相比，例如某些 Heusler 合金，Cr2Te3 的磁熵變值仍然較低。
反鐵磁性材料的應用挑戰: 反鐵磁材料的磁矩排列使得其在實際應用中難以操控，需要進一步研究和開發克服這些挑戰。
總體而言，Cr2Te3 是一種具有潛力的室溫磁熱材料，其優勢在於接近室溫的相變溫度、較大的磁熵變和較寬的工作溫度範圍。然而，其磁熵變值仍有提升空間，且作為反鐵磁材料，需要克服應用上的挑戰。

Cr2Te3 的磁熱效應是否會受到外部因素（如壓力、應變）的影響？

是的，Cr2Te3 的磁熱效應會受到外部因素如壓力和應變的影響。

壓力效應: 施加壓力會影響材料的晶格結構和電子結構，進而影響其磁性和磁熱效應。一般來說，壓力會導致磁相變溫度發生變化，並可能影響磁熵變的大小。
應變效應: 應變會改變材料的晶格常數和對稱性，進而影響其磁性和磁熱效應。研究表明，應變可以調控 Cr2Te3 的居里溫度和磁各向異性，從而影響其磁熱性能。
目前，關於壓力和應變對 Cr2Te3 磁熱效應影響的具體研究還比較有限，需要進一步的實驗和理論計算來深入理解這些影響機制，並探索利用這些效應來優化 Cr2Te3 磁熱性能的可能性。

如何將 Cr2Te3 的磁熱效應應用於實際的製冷設備中，例如設計高效的熱交換器？

將 Cr2Te3 的磁熱效應應用於實際製冷設備，需要克服材料本身特性和熱交換設計上的挑戰。以下是一些設計高效熱交換器的思路：
1. 材料改性與複合:

提高磁熵變: 通過摻雜、製備納米材料等手段，可以嘗試提高 Cr2Te3 的磁熵變值，使其在更低的磁場下產生更大的溫度變化。
降低熱滯後: Cr2Te3 作為反鐵磁材料，可能存在熱滯後現象，影響製冷效率。可以通過材料改性或製備方法的優化來降低熱滯後。
與其他材料複合: 將 Cr2Te3 與具有高導熱性能的材料（如石墨烯、碳納米管）複合，可以提高熱交換效率。
2. 熱交換器設計:

薄膜結構: 將 Cr2Te3 製備成薄膜可以增加其比表面積，提高熱交換效率。
微通道結構: 設計微通道結構可以增加熱交換面積，並通過流體的強制對流提高熱傳遞效率。
再生循環: 採用主動式磁製冷循環，並結合再生器設計，可以提高製冷效率，降低能耗。
3. 其他設計考量:

磁場產生: 選擇合適的永磁體或電磁鐵產生所需的磁場，並優化磁場方向和強度，以最大化磁熱效應。
驅動方式: 選擇合適的驅動方式，例如旋轉式或往復式，使 Cr2Te3 材料在磁場中循環運動，實現熱量傳遞。
系統集成: 將 Cr2Te3 磁熱元件與其他製冷系統組件（如熱交換器、絕熱材料）進行集成，構建完整的磁製冷系統。
總之，將 Cr2Te3 應用於實際製冷設備需要綜合考慮材料特性、熱交換設計和系統集成等多方面因素。通過不斷的技術創新和優化，Cr2Te3 有望成為新一代高效、環保的製冷技術的核心材料。