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ICM论文 | 厦大龙腊生教授&理化所戴巍研究员：K(Gd0.1Yb0.9)3F10—替代极低温水合物制冷工质的密钥

已有 346 次阅读 2026-4-30 11:29 |个人分类:ICM文章|系统分类:论文交流

ICM—以应用为导向的高水平创新研究

文章导读

绝热去磁制冷（ADR）因不依赖 ³He 且不受重力限制，广泛应用于冷却高灵敏超导转变边缘传感器（TES）以及凝聚态物理研究等，并被视为支撑新兴技术的重要低温平台。然而，ADR 的性能在很大程度上受制于磁制冷工质的磁热效应，目前应用最为成熟的极低温磁制冷材料仍以顺磁盐为主，如铬铵矾（CPA）和铁铵矾（FAA），但其磁离子密度较低、单位体积磁熵有限。同时，这些水合物容易极易失水或融化变质，相应的生长封装工艺复杂，同时也严重限制了应用场景，诸如原子探针显微镜等。

厦门大学龙腊生教授和中国科学院理化所戴巍研究员团队延续此前提出的“稀土协同掺杂策略”，在致密无机氟化物框架中引入少量Gd离子以增强材料的低温磁熵变，制备出了高致密的氟化稀土材料：K(Gd_0.1Yb_0.9)₃F₁₀，系统评测了材料 K(Gd_0.1Yb_0.9)₃F₁₀的极低温磁热效应；中国科学院理化所戴巍研究员团队进行了新型盐丸设计并详细评估了该材料应用于实际ADR样机中的最低温度与制冷能力。典型地，当该材料置于样机的低温级中，低温度达到 67 mK，并在 300mK下实现 47.99 mJ cm^-3T^-1 的显著比冷量值，超过了商用材料CPA的2倍，展现出极具竞争力的亚开尔文温区制冷性能。

图文摘要：K(Gd_0.1Yb_0.9)₃F₁₀的极低温磁制冷性能

上述成果发表在Industrial Chemistry & Materials，题为：K(Gd_0.1Yb_0.9)₃F₁₀, A promising refrigerant for sub-100 mK adiabatic demagnetization refrigeration。欢迎扫描下方二维码或者点击下方链接免费阅读、下载！

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https://doi.org/10.1039/D6IM00032K

本文亮点

★ 设计合成了兼具大磁熵变值与低磁有序温度的高致密极低温磁制冷材料；

★ 在实际样机应用中，实现了67mK的极低温，并在300mK极低温下冷量高达607 mJ。

图文解读

1. K(Gd_0.1Yb_0.9)₃F₁₀合成及表征

作者通过Gd掺杂的策略制备出了K(Gd_0.1Yb_0.9)₃F₁₀，并通过单晶X射线确定了其结构及物相，通过扫描电镜的Mapping确定了Gd和Yb的均匀分布，通过磁性测试得出材料中存在弱的反铁磁相互作用。

图1. K(Gd0.1Yb0.9)3F10的结构组分及磁性

2. K(Gd_0.1Yb_0.9)₃F₁₀的极低温磁热效应

在较高温区（5–20 K），C_p主要由晶格贡献主导，其晶格热容符合 Debye 模型，对应的 Debye 温度为 133 K。而在更低温区，磁贡献占据主导地位。通过从总热容中扣除晶格贡献，获得了材料的磁热容 C_m。测量结果显示，在 0.05 K 以下仍未观察到长程磁有序（即 T0 < 0.05 K）。通过计算不同磁场下的 S_m 与 0 T 条件下 S_m的差值，可得到K(Gd_0.1Yb_0.9)₃F₁₀的磁熵变 −ΔS_m。结果显示，在 1 T 和 2 T 磁场下，其最大 −ΔS_m分别达到 110 mJ cm^-3K^-1 和 143 mJ cm^-3K^-1（图 2c）。此外，根据其绝热温变（ΔTad）数据可得，通过绝热去磁过程，在初始温度分别为 0.3 K（1 T）和 0.7 K（2 T）的条件下，理论上体系可实现最低约 50 mK 的极低温（图 2d）。

图2. (a) K(Gd_0.1Yb_0.9)₃F₁₀的实验热容C_p（以气体常数R归一化）；(b)不同外加磁场下K(Gd_0.1Yb_0.9)₃F₁₀的磁熵S_m值；(c) 热容数据计算得到的K(Gd_0.1Yb_0.9)₃F₁₀磁熵变 −ΔS_m; (d) 由热容数据计算得到的K(Gd_0.1Yb_0.9)₃F₁₀的绝热温变 ΔT_ad

3. K(Gd_0.1Yb_0.9)₃F₁₀的样机实际测试

在上述结果的基础上，研究团队将K(Gd_0.1Yb_0.9)₃F₁₀用于两级绝热去磁制冷系统（ADR）（图3a），以进一步评估其实际制冷性能，重点考察其最低可达温度和制冷能力。两级ADR结构中，第一阶段利用GGG预冷第二阶段至1 K以下，两个超导磁体最大磁场均为 4 T。实验结果表明，在 3 T 磁场下从 0.712 K 起始温度去磁，可获得 67 mK 的最低温度。进一步通过施加可控热负载评估其制冷能力：在 300 mK 下得到总制冷量 607.82 mJ，同时在300 mK无负荷维持时间可以超过30小时。与传统水合顺磁盐需要复杂封装以防脱水不同，该材料可直接与银粉压制成块，具有良好的机械稳定性、热接触和化学稳定性，简化了加工流程并降低了成本。得益于其较大的磁熵变和约 90%理论值的盐丸效率，采用 K(Gd_0.1Yb_0.9)₃F₁₀ + GGG 的ADR系统在 300 mK 下不仅可实现 607.82 mJ 的制冷能力和 30 h 以上的零负载保持时间；若增加材料用量至约360 g，其 300 mK 制冷量则可媲美含 2 L ³He 的吸附制冷机。

图3. (a) 两级绝热去磁制冷机（ADR）装置示意图；(b) K(Gd_0.1Yb_0.9)₃F₁₀的绝热去磁降温过程；(c) 等温去磁过程中获得的时间–热负载关系数据；(d) 在 300 mK 条件下K(Gd_0.1Yb_0.9)₃F₁₀的单位体积比制冷能力 q 与商业顺磁盐 CPA 的对比

总结与展望

本工作通过在 KYb₃F₁₀ 中引入 Gd³⁺ 成功构筑磁制冷剂 K(Gd_0.1Yb_0.9)₃F₁₀。热容测试表明其在 50 mK 以上未出现长程磁有序，并在 0.3–1.0 K 区间表现出显著磁熵变。集成于两级绝热去磁制冷系统后，材料实现 67 mK 的最低温度，并在 300mK获得 47.99 mJ cm^-3T^-1 的大比冷量。该研究充分展示了致密稀土氟化物在亚开尔文温区磁制冷中的应用潜力，为提升ADR的性能、开拓ADR的应用领域奠定了重要基础。

撰稿：原文作者

排版：ICM编辑部

文章信息

Q. Xu, P. Zhao, M.-T. Chen, R.-T. Wu, W. Dai, L.-S. Long and L. Zheng, K(Gd0.1Yb0.9)3F10, A promising refrigerant for sub-100 mK adiabatic demagnetization refrigeration, Ind. Chem. Mater., 2026, DOI: 10.1039/D6IM00032K.

作者简介

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通讯作者

龙腊生，厦门大学教授，国家杰出青年科学基金获得者，闽江学者特聘教授，福建省科技创新领军人才，福建省高层次人才(A类)。曾获教育部全国百篇优秀博士论文指导教师奖(2011)，卢嘉锡优秀指导教师奖(2012)，福建省优秀教师奖(2020)，教育部自然科学一等奖(排名第一，2020)，厦门市最美科技工作者团体奖(2023)，厦门大学田昭武学科交叉特等奖(2024)。迄今已在包括Acc. Chem.Res., Coord.Chem. Rev., Natl, Sci. Rev., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Matter, Nat.Commun.等杂志上发表研究论文270余篇。

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通讯作者

戴巍，中国科学院理化技术研究所研究员，博士生导师，美国低温学会会士、中国制冷学会低温专业委员会委员、国际小型低温制冷机会议委员，主要从事小型低温制冷机、稀释制冷机、绝热去磁制冷机以及固态制冷等方面的研究。在Applied Physics Letters，Advanced Materials，Journal of the Acoustical Society of America，Cryogenics等国内外期刊发表文章100余篇。

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第一作者

徐侨飞，导师龙腊生教授，目前就职安徽师范大学化学与材料科学学院，主要研究方向为稀土基极低温磁制冷材料的设计合成。以第一作者身份在J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Acc. Chem. Res.，Inorg. Chem.等期刊上发表SCI论文10余篇。

赵鹏.png

第一作者

赵鹏，中国科学院大学博士研究生，导师为沈俊研究员和戴巍研究员，主要从事绝热去磁制冷机研究。以第一作者身份在Cryogenics、CEC/ICMC等期刊或会议发表论文3篇。

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