用于磁热应用的Sb、Ge和Ga掺杂AlFe$_2$B$_2$的结构-性能关联

本研究探讨了Sb、Ge和Ga掺杂对AlFe$_2$B$_2$磁性和磁热性能的影响。通过电弧熔炼合成了AlFe$_2$B$_2$和AlFe$_{1.9}$M$_{0.1}$B$_2$（M=Ge、Ga和Sb）样品（含20%过量Al），并对粉末处理后的样品进行了相组成、微观结构、磁性和磁热效应的研究。制备的母相化合物显示出AlFe$_2$B$_2$相和FeB第二相。然而，在Sb和Ga掺杂样品中，除FeB外还观察到额外的杂质相Al$_{13}$Fe$_4$，而在Ge掺杂样品中仅存在AlB$_2$杂质相。AlFe$_2$B$_2$的居里温度为277 K，随着Sb、Ge和Ga的掺杂分别升高至287 K、297 K和296 K。在100-300 K范围内，Ge和Ga的添加也使磁化强度（$M$）更高；然而，与母相AlFe$_2$B$_2$相比，Sb掺杂使$M$显著降低。在2 T磁场下，AlFe$_2$B$_2$在274 K附近的磁熵变达到2.93 JKg$^{-1}$K$^{-1}$，而Ge和Ga掺杂后分别降至2.53 JKg$^{-1}$K$^{-1}$和1.92 JKg$^{-1}$K$^{-1}$。Sb掺杂使磁热效应受到显著影响，降至0.32 JKg$^{-1}$K$^{-1}$。然而，Ge掺杂的相对制冷功率与母相AlFe$_2$B$_2$相同。本研究增进了对AlFe$_2$B$_2$中掺杂元素与磁性之间关系的理解，并为设计具有定制磁特性的磁热材料开辟了途径。