Synthesis and characterization of selected Quantum Magnetic Materials. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Synthesis and characterization of selected Quantum Materials- Noon Adam 26.11-2025-1.pdf Restricted to Repository staff only until 1 December 2026. Download (2MB)

Arabic Abstract

تعني هده الأطروحة بدراسة الخصائص المغناطيسية لمواد كمومية فيرومغناطيسية مختارة بعناية ، علي وجه الخصوص: مواد كاغومية التركيب ذات أساس مبني علي عنصر التيتانيوم RETi_3 Bi_4 و Mn-bias tri-chalcogenides (MnAX_3)، تم تحضير مواد عالية الجودة (بلورية وعديدة البلورات) . وتأتي هذه الدراسة لمحاولة فهم التفاعلات المغناطيسية الأساسية في هذه المواد الكمومية الجديدة ، تم استخدام مجموعة من الأساليب التجريبية لدراسة مختلف الخصائص المغناطيسية. في مركب NdTi_3 Bi_4 مثل دراسة السلوك الحرج وتأثير التبريد المغناطيسي عند الانتقال الطوري المغناطيسي واستخدام حيود الأشعة السينية وقابلية التيار المتردد ومنحنى التمغنط. كما تم رصد الانتقال الطوري من البارا مغناطيسية PM)) إلى الفيرومغناطيسية (FM) من الدرجة الثانية في منحنيات المغنطة المعتمدة على درجة الحرارة. سمح قياس المغنطة الأيزوثرمية الأولية بدراسة الخصائص الحرجة للمادة وذلك باستخدام رسومات أروت المعدلةmodified Arrott plot) ( لتحديد الأسس الحرجة β و γ والتي تم التحقق منها باستخدام رسومات كوفيل وفيشر ( (Kouvel-Fisher plotكما تم تحديد exponent δ باستخدام Widom's Identity δ-1=γ/β)). أكدة فرضية المعايرة الشاملة صحة القيم المستخرجة للأ سس الحرجة (.(β, γ, δ أظهر تحليل الأسس الحرجة أن NdTi_3 Bi_4 يتوافق مع نموزج Tri critical mean-field. كما قمنا في هذه الأطروحة بدراسة التبريد المغناطيسي ((MCE لهده البلورة ( NdTi_3 Bi_4 ) حيث أظهرت القيم المحسوبة لقدرة التبريد النسبية (RCP) عند µ0H = 5T أنها تقارب 9.68 J/Kg مما يشير إلى أن هذه المادة مناسبة لتطبيقات التبريد المغناطيسي عند درجات حرارة أقل من 10 كلفن . وفي دراسة مقارنة, تم تحديد الأسس الحرجة أيضا من خلال تحليل إعتماد التغير في الإنتروبيا المغناطيسية على المجال المغناطيسي ومقارنتها بالقيم التي حصلنا عليها إلى جانب القدرة التبريد النسبية. وجدنا توافق جيد بين هذه القيم مع النتائج المستخلصة من الطرق التجريبية الأخرى مثل (MAP)، (KF) و (CIA) .

English Abstract

This study examines the magnetic characteristics of quantum ferromagnetic materials, such as Mn-bias tri-chalcogenides (MnAX_3.) and titanium-based Kagome metals RETi_3 Bi_4. Polycrystals and single crystals are prepared by flux growth and solid-state reaction synthesis methods. To understand the fundamental magnetic interaction in these novel quantum materials, a range of Mn-based quantum materials were prepared and characterized using XRD and ac-susceptibility measurements. A more detailed investigation was performed on NdTi3Bi4 single crystal with Kagome structure. In NdTi_3 Bi_4, the critical behavior, the critical exponents, and the magnetocaloric effect have been investigated. The variations of the magnetization as a function of temperature indicates a second-order transition from the paramagnetic (PM) to the ferromagnetic (FM) state at the Curie temperature T_c. To probe the essential features of this PM–FM transition, the initial isothermal magnetization was measured. The values of the critical exponents β and γ were determined using the modified Arrott plot and cross-checked with the Kouvel–Fisher approach. The exponent δ was calculated using Widom’s relation (δ – 1 = γ/β). The reliability of the extracted exponents (β, γ, δ) was further validated by applying universal scaling analysis. The results revealed that NdTi_3 Bi_4 follows the tri-critical mean-field model based on the critical exponent evaluation. The behavior of compound under investigation with respect to the magnetocaloric effect (MCE) is described using a phenomenological model. The obtained RCP values at µ0H = 5T are around 9.68 J/Kg, it implies that this material is suitable for magnetic refrigeration applications below room temperature. The critical exponent values were determined by evaluating the field dependence of the magnetic entropy change data and the relative cooling power. These values were found to follow the scaling theory in addition to agreeing with those derived from the (MAP), (KF), and (CI) techniques. Our results validate the strong relationship in manganite systems between the MCE characteristics and the critical behavior.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Research Physics
Department:	College of Engineering and Physics > Physics
Committee Advisor:	A. Ziq, Khalil
Committee Members:	Mohamed Bahlouli, Hocine and Weda Bomantara, Raditya
Depositing User:	NOON ADAM (g202206400)
Date Deposited:	04 Dec 2025 10:23
Last Modified:	04 Dec 2025 10:23
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143765