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【摘 要】运用物理性质测量系统（PPMS）研究了300 K下TbFe2立方Laves相合金的磁致伸缩值随外加磁场的变化特性。结果表明，TbFe2合金的磁致伸缩值随着场强的增加而增加。同时，随着场强的增加致70 kOe，TbFe2合金的磁致伸缩值将达到2000 ppm。尽管在70 kOe大的场强下，TbFe2合金的磁致伸缩仍未达到饱和这说明了TbFe2合金在室温下具有相当大的磁晶各向异性。
【关键词】立方Laves相合金；磁性能；磁晶各向异性常数
一、引言
所谓磁致伸缩效应，是指铁磁体在被外磁场磁化时，其体积和长度将发生变化的现象。磁致伸缩效应引起的体积和长度变化虽是微小的，但其长度的变化比体积变化大得多，是人们研究应用的主要对象，又称之为线磁致伸缩。线磁致伸缩的变化量级为10-5～10-6。它是焦耳在1842年发现的，其逆效应是压磁效应[1]。具有磁致伸缩特性的材料称为磁致伸缩材料。工程上利用这一特性将电能转换成机械能或将机械能转换成电能。具有极大的磁致伸缩系数的磁致伸缩材料被称为超磁致伸缩材料（Giant Magnetostrictive Material 简称GMM），由于多为稀土构筑，又称稀土超磁致伸缩材料。这种材料具有很高的耐热温度，磁致伸缩性能强。在室温下，机械能和电能之间的转换率高、能量密度大、响应速度快、可靠性好、驱动方式简单。[1]GMM的尺寸伸缩可随外加磁场成比例变化，其磁致伸缩系数远大于传统的磁致伸缩材料。二十世纪七十年代，Clark系统地研究了稀土R-过渡金属T（ T=Ni、Co、Fe、Al、Mn等）化合物[1]，发现TbFe2、DyFe2、SmFe2等RFe2合金具有很好的磁致伸缩性能，由此引起了业界对GMM开发及应用的极大关注。[1]根据磁致伸缩理论，由稀土R和铁Fe所组成的RFe2将具有相当大的磁致伸缩值，尤其是TbFe2单晶，其在0 k下的磁致伸缩理论预测值将高达4400 ppm。TbFe2单晶在低温下具有如此大的磁致伸缩理论预测之，这预示着TbFe2合金在室温下将具有更大的磁致伸缩值，因此，其磁致伸缩特性应当引起人们的广泛关注。然而，由于TbFe2合金在室温下难以达到饱和，使得人们难以用传统的方法测量得到这类材料的高场磁致伸缩值。因此，运用具有高的磁场装置的物理性质测量系统（PPMS）来测量TbFe2合金的磁致伸缩值随场强的变化曲线，从而研究其饱和磁致伸缩性能，对开发一种室温下应用的新型磁致伸缩材料具有相当重要的意义。
二、实验仪器及测量结果
具有名义配比的TbFe2的原始材料在氩气气氛保护下采用熔炼炉熔炼，锭子反复熔炼4-5次，以保证样品的均匀性。Tb的纯度为99.9%，Fe的纯度为99.8%。样品的晶体结构表征采用Cu靶，Rigaku D/Max-gA X-射线衍射仪。高精度的XRD图谱是采用步进扫描方式进行测量的，步长为0.02°，每点计数时间为6秒。[2]
Quantum Design公司生产的物理性质测量系统（PPMS），是近年来受到来自世界范围的材料、物理等领域科研人员称赞的综合物理性质测量仪器。它提供了一个强磁场（超导磁体）和极低温的实验环境（液氦温区），能够测量材料的电学、磁学、比热、热电输运等性质。整台装置主要由PMS主控机柜，输入输出计算机、集成ETOTTO的模块化控制系统、杜瓦瓶样品腔控温控磁和液氦自循环制冷压缩机室内机四个部分组成。[3]一个完整的PPMS系统也是由一个基系统和各种选件两个部分构成，根据内部集成的超导磁体的大小基系统分为7特斯拉、9特斯拉、14特斯拉和16特斯拉系统。但与MPMS专注于磁测量不同，PPMS在基系统搭建的温度和磁场平台上，利用各种选件进行磁测量、电输运测量、热学参数测量和热电输运测量。基系统主要包括软件操作系统，温控系统，磁场控制系统，样品操作系统和气体控制系统。
为了研究TbFe2合金的磁致伸缩值（λ=λ‖-λ⊥）随外加磁场H的变化规律，我们运用物理性质测量系统（PPMS）测量了TbFe2合金样品在室温下（300 K下）的磁致伸缩（λ=λ‖-λ⊥）随外加磁场H的变化曲线，所加的磁场场强的范围为0-70 kOe，结果如图1所示。从图中我们可以看到，随着场强H的增加，TbFe2合金的磁致伸缩值将增加，当外加磁场H增加到70 kOe时，TbFe2合金的磁致伸缩值将达到大约2000 ppm。这个磁致伸缩值相对已经商品化的Terfenol-D来说[1]，是相当大的，这说明了TbFe2合金在室温下具有相当大的磁致伸缩值。从磁致伸缩值这一单方面来说，TbFe2合金是一种较好的室温磁致伸缩材料。同时，从图中我们还可以看到，尽管在70 kOe大的外加磁场下，TbFe2合金的磁致伸缩仍未达到饱和。根据磁致伸缩理论我们知道，合金的磁致伸缩越难达到饱和，说明合金的磁晶各向异性值越大。TbFe2合金在外加磁场高达70 kOe下仍未达到饱和，这说明了TbFe2合金在室温下具有相当大的磁晶各向异性，从这一方面来说，也限制了这种材料在磁场下的应用。
三、小结
通过用物理性质测量系统（PPMS）研究了300 K下TbFe2立方Laves相合金的磁晶各向异性随场强的变化特性表明，随着场强的增加，TbFe2合金的磁致伸缩将升高，当外加磁场增加到70 kOe时，TbFe2合金的磁致伸缩值达到2000 ppm。TbFe2合金在外加磁场高达70 kOe下仍未达到饱和，这说明了TbFe2合金在室温下具有相当大的磁晶各向异性。
参考文献：
[1]A.E.Clark，in Ferromagnetic Materials，edited by E. P. Wohlfarth（North-Holland， Amsterdam，
1980），Vol.1，p.531.
[2]Y. M. Tang， L. Y. Chen， L. Zhang， H. F. Huang， W. B. Xia， S.Y. Zhang， J. Wei， S. L. Tang，
and Y. W. Du， Temperature dependence of the magnetostriction in PrFe1.9 and TbFe2 polycrystalline alloys： Experiment and theory[J].Journal of Applied Physics，2014，115：173902.
[3]张焱，高政祥，高进，曹立志.物理性质测量系统（PPMS）的原理及其应用[J].现代仪器，2004，5：44-47.
【关键词】立方Laves相合金；磁性能；磁晶各向异性常数
一、引言
所谓磁致伸缩效应，是指铁磁体在被外磁场磁化时，其体积和长度将发生变化的现象。磁致伸缩效应引起的体积和长度变化虽是微小的，但其长度的变化比体积变化大得多，是人们研究应用的主要对象，又称之为线磁致伸缩。线磁致伸缩的变化量级为10-5～10-6。它是焦耳在1842年发现的，其逆效应是压磁效应[1]。具有磁致伸缩特性的材料称为磁致伸缩材料。工程上利用这一特性将电能转换成机械能或将机械能转换成电能。具有极大的磁致伸缩系数的磁致伸缩材料被称为超磁致伸缩材料（Giant Magnetostrictive Material 简称GMM），由于多为稀土构筑，又称稀土超磁致伸缩材料。这种材料具有很高的耐热温度，磁致伸缩性能强。在室温下，机械能和电能之间的转换率高、能量密度大、响应速度快、可靠性好、驱动方式简单。[1]GMM的尺寸伸缩可随外加磁场成比例变化，其磁致伸缩系数远大于传统的磁致伸缩材料。二十世纪七十年代，Clark系统地研究了稀土R-过渡金属T（ T=Ni、Co、Fe、Al、Mn等）化合物[1]，发现TbFe2、DyFe2、SmFe2等RFe2合金具有很好的磁致伸缩性能，由此引起了业界对GMM开发及应用的极大关注。[1]根据磁致伸缩理论，由稀土R和铁Fe所组成的RFe2将具有相当大的磁致伸缩值，尤其是TbFe2单晶，其在0 k下的磁致伸缩理论预测值将高达4400 ppm。TbFe2单晶在低温下具有如此大的磁致伸缩理论预测之，这预示着TbFe2合金在室温下将具有更大的磁致伸缩值，因此，其磁致伸缩特性应当引起人们的广泛关注。然而，由于TbFe2合金在室温下难以达到饱和，使得人们难以用传统的方法测量得到这类材料的高场磁致伸缩值。因此，运用具有高的磁场装置的物理性质测量系统（PPMS）来测量TbFe2合金的磁致伸缩值随场强的变化曲线，从而研究其饱和磁致伸缩性能，对开发一种室温下应用的新型磁致伸缩材料具有相当重要的意义。
二、实验仪器及测量结果
具有名义配比的TbFe2的原始材料在氩气气氛保护下采用熔炼炉熔炼，锭子反复熔炼4-5次，以保证样品的均匀性。Tb的纯度为99.9%，Fe的纯度为99.8%。样品的晶体结构表征采用Cu靶，Rigaku D/Max-gA X-射线衍射仪。高精度的XRD图谱是采用步进扫描方式进行测量的，步长为0.02°，每点计数时间为6秒。[2]
Quantum Design公司生产的物理性质测量系统（PPMS），是近年来受到来自世界范围的材料、物理等领域科研人员称赞的综合物理性质测量仪器。它提供了一个强磁场（超导磁体）和极低温的实验环境（液氦温区），能够测量材料的电学、磁学、比热、热电输运等性质。整台装置主要由PMS主控机柜，输入输出计算机、集成ETOTTO的模块化控制系统、杜瓦瓶样品腔控温控磁和液氦自循环制冷压缩机室内机四个部分组成。[3]一个完整的PPMS系统也是由一个基系统和各种选件两个部分构成，根据内部集成的超导磁体的大小基系统分为7特斯拉、9特斯拉、14特斯拉和16特斯拉系统。但与MPMS专注于磁测量不同，PPMS在基系统搭建的温度和磁场平台上，利用各种选件进行磁测量、电输运测量、热学参数测量和热电输运测量。基系统主要包括软件操作系统，温控系统，磁场控制系统，样品操作系统和气体控制系统。
为了研究TbFe2合金的磁致伸缩值（λ=λ‖-λ⊥）随外加磁场H的变化规律，我们运用物理性质测量系统（PPMS）测量了TbFe2合金样品在室温下（300 K下）的磁致伸缩（λ=λ‖-λ⊥）随外加磁场H的变化曲线，所加的磁场场强的范围为0-70 kOe，结果如图1所示。从图中我们可以看到，随着场强H的增加，TbFe2合金的磁致伸缩值将增加，当外加磁场H增加到70 kOe时，TbFe2合金的磁致伸缩值将达到大约2000 ppm。这个磁致伸缩值相对已经商品化的Terfenol-D来说[1]，是相当大的，这说明了TbFe2合金在室温下具有相当大的磁致伸缩值。从磁致伸缩值这一单方面来说，TbFe2合金是一种较好的室温磁致伸缩材料。同时，从图中我们还可以看到，尽管在70 kOe大的外加磁场下，TbFe2合金的磁致伸缩仍未达到饱和。根据磁致伸缩理论我们知道，合金的磁致伸缩越难达到饱和，说明合金的磁晶各向异性值越大。TbFe2合金在外加磁场高达70 kOe下仍未达到饱和，这说明了TbFe2合金在室温下具有相当大的磁晶各向异性，从这一方面来说，也限制了这种材料在磁场下的应用。
三、小结
通过用物理性质测量系统（PPMS）研究了300 K下TbFe2立方Laves相合金的磁晶各向异性随场强的变化特性表明，随着场强的增加，TbFe2合金的磁致伸缩将升高，当外加磁场增加到70 kOe时，TbFe2合金的磁致伸缩值达到2000 ppm。TbFe2合金在外加磁场高达70 kOe下仍未达到饱和，这说明了TbFe2合金在室温下具有相当大的磁晶各向异性。
参考文献：
[1]A.E.Clark，in Ferromagnetic Materials，edited by E. P. Wohlfarth（North-Holland， Amsterdam，
1980），Vol.1，p.531.
[2]Y. M. Tang， L. Y. Chen， L. Zhang， H. F. Huang， W. B. Xia， S.Y. Zhang， J. Wei， S. L. Tang，
and Y. W. Du， Temperature dependence of the magnetostriction in PrFe1.9 and TbFe2 polycrystalline alloys： Experiment and theory[J].Journal of Applied Physics，2014，115：173902.
[3]张焱，高政祥，高进，曹立志.物理性质测量系统（PPMS）的原理及其应用[J].现代仪器，2004，5：44-47.