Giant caloric effects in the vicinity of first-order phase transitions

Abstract

Solid state materials are candidates to exhibit a large field-driven thermal response in the vicinity of first-order transitions. The strong sensitivity of the transition temperature with the applied field and the latent heat associated with the change of phase can give rise to the giant magneto-, electro-, baro-, and elastocaloric effects. Furthermore, the coupling between structural, magnetic and electronic degrees of freedom at the transition regime enables the thermal response to be driven by multiple fields and, thus, giving rise to the multicaloric effect. In the last years, the interest in understanding and tailoring novel caloric materials has exceptionally grown in view of their potential application to alternative cooling technologies for large scale industry. The present thesis reports the giant caloric effects encompassing the Fe49Rh51 magnetovolumic transition, the magnetostructural martensitic transformation in Ni-Mn based Heusler alloys, and the ferroelectric perovskites BaTiO3 and Pb(Sc0.5Ta0.5)O3. The physical conditions for the optimization of the thermal response which yield to an enlarged magnitude and operation range are explored, as well as the corresponding reproducibility upon field cycling and the potential multicaloric character. This evaluation is achieved by means of a complete caloric characterization in which the calorimetric experimental techniques which have been developed in purpose are crucial.

Els materials d'estat sòlid són susceptibles de mostrar una gran resposta tèrmica induïda per un camp extern a l'entorn de transicions de fase de primer ordre. La forta sensitivitat de la temperatura de transició amb el camp aplicat i la calor latent associada amb el canvi de fase poden donar lloc als efectes magneto-, electro-, baro- i elastocalòric gegants. A més, l'acoblament entre els graus de llibertat estructurals, magnètics i electrònics en el règim de transició possibilita que la resposta tèrmica sigui induïda per múltiples camps, originant així l'efecte multicalòric. En els darrers anys, l'interès en entendre i elaborar materials calòrics ha crescut excepcionalment, amb l'ull posat en les aplicacions potencials en tecnologies de refrigeració alternatives per a la indústria a gran escala. La present tesi reporta els efectes calòrics gegants que acompanyen la transició magnetovolúmica del Fe49Rh51, la transformació martensítica en aliatges Heusler amb base de Ni-Mn, i les perovskites ferroelèctriques de BaTiO3 i de Pb(Sc0.5Ta0.5)O3. S'exploren les condicions físiques propícies per a una optimització de la resposta tèrmica que resulten amb un eixamplament en magnitud i en rang d'operació, així com també la reproducibilitat corresponent sota ciclatge i el potencial caràcter multicalòric. Aquesta avaluació s'aconsegueix per mitjà d'una caracterització calòrica completa en què les tècniques experimentals calorimètriques que s'han desenvolupat amb aquest propòsit són crucials