close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Магнитные свойства редкоземельных интерметаллических соединений типа R(Fe Ga)11C и R(Fe Al)12.

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
ГОРБУНОВ Денис Игоревич
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ
ИНТЕРМЕТАЛЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ТИПА R(Fe,Ga)11C И R(Fe,Al)12
01.04.11 - физика магнитных явлений
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Екатеринбург - 2013 г.
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении
науки Ордена Трудового Красного Знамени Институте физики металлов
Уральского Отделения РАН, Объединенной лаборатории магнетизма и низких
температур Карлова Университета и Института Физики в Праге (Чешская
Республика) и Лаборатории высоких магнитных полей в Дрездене (Германия).
Научный руководитель:
доктор физико-математических наук
член-корреспондент РАН
Мушников Николай Варфоломеевич
Официальные оппоненты:
Баранов Николай Викторович, доктор физико-математических наук, профессор,
заведующий лабораторией микромагнетизма Института физики металлов
Кудреватых Николай Владимирович, доктор физико-математических наук,
директор
Научно-исследовательского
института
физики
и
прикладной
математики "Уральского федерального университета имени первого президента
России Б.Н. Ельцина".
Ведущая организация: Институт металлургии и материаловедения
им. А.А. Байкова РАН, Москва
Защита состоится 29 ноября 2013 г. в 14 ч 30 мин на заседании диссертационного
совета Д 004.003.01 при Институте физики металлов Уральского Отделения РАН
(ИФМ УрО РАН) по адресу: 620990, г. Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики металлов
УрО РАН.
Автореферат разослан "
" октября 2013 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Лошкарева Наталья Николаевна
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы
Поиск новых магнитотвердых материалов базируется на приготовлении и
изучении структуры и магнитных свойств соединений на основе Fe или Co и
редкоземельных элементов (R). С этой целью синтезируются новые
многокомпонентные псевдобинарные соединения на основе фаз с известными
структурными типами (Th2Zn17, Th2Ni17, BaCd11, ThMn12, NaZn13 и др.). В
дополнение к стабильным при нормальных условиях интерметаллидам большое
внимание уделяется синтезу метастабильных фаз с использованием различных
методов получения неравновесных систем, например, методов интенсивных
механических воздействий или быстрой закалки расплава. Все развиваемые
подходы направлены на реализацию высокой температуры Кюри, высокой
намагниченности насыщения, большой одноосной магнитокристаллической
анизотропии, то есть тем фундаментальным магнитным характеристикам,
которые в своей совокупности обеспечивают формирование высоких магнитных
гистерезисных свойств материалов. В интерметаллидах на основе системы R-Fe
представляется возможным разделить вклады в магнитные свойства от железной
и редкоземельной подрешеток благодаря разной природе 3d и 4f электронных
состояний. Для достижения наиболее оптимальных свойств конкретного
соединения требуется должное сочетание как вида редкоземельного элемента, так
и концентрации компонентов в сплаве. Установление механизмов формирования
магнитных свойств требует систематического изучения серий соединений с
возможностью замены одних компонентов на другие.
Интерметаллиды R-Fe с тетрагональной структурой типа BaCd11,
стабилизированные галлием и углеродом, являются интересными объектами с
практической точки зрения. Они характеризуются высоким содержанием 3dэлемента, кроме того, существование выделенного направления в
кристаллической решетке дает основания предполагать возможность реализации
высокой магнитной анизотропии и, следовательно, высоких гистерезисных
свойств. Наилучшую информацию об этих свойствах можно получить, исследуя
материалы с размером зерен, близкому к размеру однодоменности, который в
этих соединениях не должен превышать 100 нм. Эффективным методом
получения нанокристаллических материалов с таким размером зерен является
быстрая закалка расплава спиннингованием. Интерес представляет изучение этих
соединений с редкоземельными компонентами, имеющими разные знаки
3
параметра Стивенса второго порядка, поскольку это позволяет контролировать
магнитокристаллическую анизотропию соединений.
Магнитные свойства соединений RFexAl12-x (4 ≤ x ≤ 6) с тетрагональной
кристаллической решеткой типа ThMn12 очень чувствительны к содержанию
железа.
С
изменением
x
происходят
существенные
изменения
внутриподрешеточных
Fe-Fe
и
межподрешеточных
R-Fe
обменных
взаимодействий. Для понимания магнитных свойств этих соединений требуется
разделить вклады в них от редкоземельной и железной подрешеток. Исследование
магнитного поведения соединений с немагнитными редкоземельными
компонентами
на
монокристаллах
позволит
детально
изучить
внутриподрешеточные обменные взаимодействия Fe-Fe и магнитную
анизотропию железной подрешетки.
В соединениях RFexAl12-x с магнитными R возникает межподрешеточное
обменное
взаимодействие
R-Fe,
и
формируется
одноионная
магнитокристаллическая анизотропия, связанная с редкоземельной подрешеткой.
Поликристаллические образцы соединений RFe5Al7 проявляют сильную
магнитную анизотропию. Зная магнитные свойства железной подрешетки,
представляет интерес изучение влияния отдельных редкоземельных элементов на
формирование магнитных свойств соединений RFe5Al7 на монокристаллах.
Таким образом, актуальными являются систематические исследования
высокоанизотропных интерметаллидов с возможностью замены одних
компонентов на другие.
Исследования по теме диссертации выполнены в Лаборатории
ферромагнитных сплавов Института Физики Металлов УрО РАН в
Екатеринбурге, Объединенной лаборатории магнетизма и низких температур
Карлова Университета и Института Физики в Праге (Чешская Республика) и
Лаборатории высоких магнитных полей в Дрездене (Германия).
Работа выполнена при поддержке: программы Президиума РАН №27
"Основы фундаментальных исследований нанотехнологий и наноматериалов",
проекта РФФИ 07-02-00219 "Синтез новых многокомпонентных редкоземельных
интерметаллидов и исследование их кристаллической структуры и физических
свойств", проекта УрО РАН 09-П-2-1035 "Влияние состава и локальной атомной
структуры на функциональные свойства нанокристаллических ферромагнитных
сплавов и технологические аспекты их получения", проектов Академии Наук
Чешской Республики AVOZ10100520 и M100101203, проекта Чешской
Исследовательской Инфраструктуры LM2011025, грантов Чешского Научного
4
Фонда 202/09/0339 и P204/12/0150, проектов Грантового Агентства Карлова
Университета SVV-2012-265303, SVV-2013-267303 и GAUK-703912 и
программой EuroMag-NET (контракт Европейского Союза №228043).
Основной целью настоящей работы является определение влияния
редкоземельной и железной подрешеток на магнитные свойства ряда
высокоанизотропных
многокомпонентных
интерметаллидов
с
низким
содержанием редкоземельных элементов, соответствующих стехиометрическим
соотношениям 1:11 и 1:12, структура которых стабилизирована добавкой третьего
или четвертого элемента. В качестве объектов исследования выбраны две группы
сплавов: (1) сплавы со структурой типа BaCd11 - RFe11-xGaxCy (R - Pr, Sm, 1.5 ≤ x ≤
5, 0.5 ≤ y ≤ 2) и (2) сплавы со структурой типа ThMn12 - LuFexAl12-x (4 ≤ x ≤ 6) и
RFe5Al7 (R - Gd, Tb, Dy, Ho и Er).
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1. Синтезировать серию сплавов RFe11-xGaxCy (R - Pr, Sm, 1.5 ≤ x ≤ 5, 0.5 ≤ y
≤ 2), исследовать их фазовый состав. Изучить концентрационные зависимости
структурных особенностей и магнитных свойств (включая магнитные
гистерезисные свойства) соединений Pr(Fe,Ga)11Cy и Sm(Fe,Ga)11Cy, в которых
ионы редкоземельного элемента имеют разные знаки параметра Стивенса второго
порядка (αJ(Pr3+) < 0, αJ(Sm3+) > 0). Исследовать влияние конкурирующей
магнитной анизотропии на магнитные свойства системы (Pr1-xSmx)Fe8Ga3C.
Оценить потенциал этих соединений для использования в качестве
магнитотвердых материалов.
2. Вырастить монокристаллы соединений LuFexAl12-x с концентрацией Fe в
интервале 4 ≤ x ≤ 6, который соответствует области гомогенности этих
соединений. Исследовать влияние концентрации Fe на параметры
кристаллической решетки. Провести исследование магнитных свойств
монокристаллов, установить, как изменяются обменные взаимодействия в
подрешетке Fe и ее магнитная анизотропия в данном концентрационном
интервале.
3. Вырастить монокристаллы соединений RFe5Al7 с тяжелыми
редкоземельными элементами R - Gd, Tb, Dy, Ho и Er. Определить их магнитные
характеристики: температуру магнитного упорядочения, направления осей
легкого намагничивания, спонтанный магнитный момент, константы
анизотропии. Изучить поведение монокристаллов в сильном внешнем магнитном
поле. Установить особенности влияния конкретных редкоземельных элементов на
магнитные свойства соединений RFe5Al7.
5
В этой работе были получены и выносятся на защиту следующие новые
научные результаты и положения:
1. Синтезированы соединения RFe11-xGaxCy (R - Pr, Sm или их смесь, 1.5 ≤ x
≤ 5, 0.5 ≤ y ≤ 2), с тетрагональной и орторомбической кристаллической
структурой. Установлено, что снижение симметрии решетки соединения PrFe11с
ростом
концентрации
Ga
приводит
к
формированию
xGaxC
магнитокристаллической анизотропии внутри плоскости (001). Соединения
SmFe11-xGaxC проявляют сильную магнитокристаллическую анизотропию,
одноосная природа которой связана с подрешеткой Sm.
2. В сплавах (Pr1-xSmx)Fe8Ga3C (0 ≤ x ≤ 1) обнаружен концентрационный
спин-переориентационный магнитный фазовый переход, связанный с
конкурирующими
вкладами
редкоземельных
подрешеток
в
магнитокристаллическую анизотропию.
3. Выращены монокристаллы LuFexAl12-x (4 ≤ x ≤ 6), имеющие
тетрагональную кристаллическую структуру типа ThMn12, и проведено
систематическое изучение их магнитных свойств. Внутри железной подрешетки, с
которой связан магнитный порядок в этих соединениях, обнаружены
конкурирующие обменные и анизотропные взаимодействия. Определена
эволюция обменных взаимодействий с ростом содержания Fe. Установлен вклад
отдельных кристаллографических позиций атомов железа в анизотропию.
4. Выращены монокристаллы RFe5Al7 с R - Gd, Tb, Dy, Ho и Er, и выявлены
закономерности изменения их магнитных свойств при замещении одного
редкоземельного
элемента
на
другой.
Соединения
являются
высокоанизотропными ферримагнетиками. Обнаружена сильная одноионная
анизотропия редкоземельной подрешетки, которая приводит к сильному
магнитному и тепловому гистерезису при низких температурах. Вдоль
направлений базисной плоскости соединений RFe5Al7 с R - Tb, Dy, Ho и Er
обнаружены спонтанные и индуцированные внешним магнитным полем фазовые
переходы.
Методология и методы исследований
Принципиальной особенностью диссертации является комплексный подход
к созданию образцов, их аттестации и характера исследований для решения
поставленных задач. Поликристаллические образцы, изученные в настоящей
работе, были получены методом плавки в дуговой и индукционной печах в
атмосфере аргона. Ленты быстрозакаленных сплавов были получены методом
разливки исходных сплавов на вращающееся стальное колесо. Монокристаллы
6
были выращены в трех-дуговой печи методом Чохральского в атмосфере аргона.
Рентгенографические исследования проводили на порошках, полученных
измельчением исходных моно- и поликристаллических образцов, с помощью
дифрактометров ДРОН-6 и Bruker D8 Advance. Монокристаллы ориентировали
методом съемки лауэграмм на отражение. Температурные зависимости начальной
магнитной восприимчивости измеряли в переменном синусоидальном магнитном
поле. Полевые и температурные зависимости намагниченности измеряли с
помощью магнетометра с вибрирующим образцом, на SQUID-магнетометре
MPMS-7 и на Physical Property Measurement System PPMS-14. Измерения
температурной зависимости удельной теплоемкости проводили на PPMS-14.
Кривые намагничивания в импульсных магнитных полях были сняты
индукционным методом. Измерения относительного изменения скорости
ультразвука и его затухания были выполнены методом отраженных импульсов.
Интерпретация результатов акустических исследований проводилась на основе
представлений о спин-переориентационных фазовых переходах.
Научная и практическая значимость работы
Результаты настоящей работы вносят вклад в развитие существующих
представлений о роли железа и отдельных редкоземельных элементов в
формировании магнитных свойств высокоанизотропных магнитоупорядоченных
соединений. Полученная информация может быть эффективно использована для
фундаментальных исследований магнитных свойств интерметаллических систем
и для решения практических задач, направленных на усовершенствование
магнитных характеристик существующих материалов и создание новых
материалов с заданными магнитными свойствами.
Соответствие содержания диссертации паспорту специальности, по
которой она рекомендуется к защите
Содержание диссертации соответствует формуле Паспорта специальности
01.04.11 Физика магнитных явлений: "... область науки, занимающаяся
изучением: взаимодействий веществ и их структурных элементов ..., обладающих
магнитным моментом, между собой или с внешними магнитными полями" и
областям исследования п. 2 "Экспериментальные исследования магнитных
свойств и состояний веществ различными методами, установление взаимосвязи
этих свойств и состояний с химическим составом и структурным состоянием,
выявление закономерностей их изменения под влиянием различных внешних
воздействий", п. 3 "Исследование изменений различных физических свойств
вещества, связанных с изменением их магнитных состояний и магнитных
7
свойств" и п. 5 "Разработка различных магнитных материалов, технологических
приемов, направленных на улучшение их характеристик...".
Личный вклад автора
Автор совместно с Н.В. Мушниковым, А.Г. Поповым и А.В. Андреевым
участвовал
в
постановке
задач
исследования,
приготовлении
поликристаллических SmFe11-xGaxC1.25 (2 ≤ x ≤ 5) и (Pr1-xSmx)(Fe,Ga)11C (0 ≤ x ≤ 1)
и монокристаллических LuFexAl12-x (x = 4, 4.5, 5, 5.5, 6) и RFe5Al7 (R - Gd, Tb, Dy,
Ho, Er) образцов. Сплавы PrFe11-xGaxCy (1.5 ≤ x ≤ 5, 0.5 ≤ y ≤ 2) были выплавлены
Е.В. Белозеровым. Автор принимал участие в структурной аттестации сплавов
совместно с В.С. Гавико, Г.В. Ивановой, Г.М. Макаровой, Л.А. Сташковой, А.Г.
Поповым, А.В. Андреевым, С. Данишем и Й. Поспишилем. Ряд измерений
магнитной восприимчивости был выполнен совместно с Е.Г. Герасимовым, А.В.
Королевым и А.С. Волеговым. Измерения намагниченности в статических полях
и теплоемкости были выполнены диссертантом под руководством А.Г. Попова и
А.В. Андреева. Измерения намагниченности в импульсных полях автор выполнял
совместно с Ю. Скурским, а измерения акустических свойств - с Ш. Ясиным.
Автор принимал непосредственное участие в обсуждении результатов со всеми
соавторами, их интерпретации и написании тезисов докладов и статей.
Достоверность научных результатов обоснована использованием
аттестованных образцов и экспериментального оборудования Лаборатории
ферромагнитных сплавов ИФМ УрО РАН в Екатеринбурге (Россия),
Объединенной лаборатории магнетизма и низких температур Карлова
Университета и Института Физики в Праге (Чешская Республика) и Лаборатории
высоких магнитных полей в Дрездене (Германия). При повторных исследованиях
отмечена воспроизводимость результатов на разных образцах. В ряде случаев
получено хорошее согласие экспериментальных результатов настоящей работы с
более ранними исследованиями.
Апробация работы. Научные результаты, полученные в настоящей работе,
были представлены на ряде конференций: Третья Всероссийская Конференция по
наноматериалам НАНО-2009 (Екатеринбург, Россия, 2009); XVII International
conference on permanent magnets, (Суздаль, Россия, 2009); 9th Prague Colloquium on
f-electron systems (Прага, Чешская Республика, 2010); IV Euro-Asian Symposium
“Trends in Magnetism”: Nanospintronics, (Екатеринбург, Россия, 2010); Moscow
International Symposium on Magnetism, (Москва, Россия, 2011); 18th International
Conference on Solid Compounds of Transition Elements, (Лиссабон, Португалия,
2012); 19th International Conference on Magnetism, (Бусан, Южная Корея, 2012); 10th
8
Prague Colloquium on f-electron systems (Прага, Чешская Республика, 2012); 5th
Baikal International Conference "Magnetic Materials. New Technologies" (Иркутск,
Россия, 2012).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 20 печатных
работах: в 11 статьях в ведущих рецензируемых российских и зарубежных
научных журналах, входящих в перечень ВАК, и 9 тезисах докладов.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из
введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем составляет
166 страниц, 98 рисунков и 8 таблиц. Список цитируемой литературы включает
195 библиографических ссылок.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во
введении
обоснована
актуальность
темы
исследований,
сформулированы цель и задачи диссертационной работы, показана научная
новизна, и изложены научная и практическая значимость полученных
результатов.
Глава 1 содержит литературные данные о структурных характеристиках и
фундаментальных магнитных свойствах интерметаллических соединений на
основе редкоземельных элементов и железа. Описаны аспекты формирования
обменных взаимодействий и магнитокристаллической анизотропии в этих
системах. Обоснован выбор объектов исследования.
В Главе 2 описаны способы приготовления образцов и методики измерения
их
физических
свойств,
использованные
в
настоящей
работе.
Поликристаллические сплавы PrFe11-xGaxCy (1.5 ≤ x ≤ 5, 0.5 ≤ y ≤ 2) были
выплавлены в дуговой печи в атмосфере аргона, а сплавы SmFe11-xGaxC1.25 (2 ≤ x ≤
5) и (Pr1-xSmx)(Fe,Ga)11C (0 ≤ x ≤ 1) - в индукционной печи. Был проведен
гомогенизирующий отжиг литых сплавов PrFe11-xGaxCy (1.5 ≤ x ≤ 5, 0.5 ≤ y ≤ 2) и
(Pr1-xSmx)(Fe,Ga)11C (0 ≤ x ≤ 1) в вакуумированных кварцевых ампулах с
последующей закалкой в воде.
Ленты быстрозакаленных сплавов (БЗС) были получены в атмосфере аргона
разливкой расплава исходных сплавов PrFe7Ga4C, SmFe11-xGaxC1.25 (2 ≤ x ≤ 5) и
(Pr1-xSmx)(Fe,Ga)11C (0 ≤ x ≤ 1) на стальное колесо, вращающееся со скоростью v =
10-40 м/с.
9
Монокристаллы LuFexAl12-x (x = 4, 4.5, 5, 5.5) и RFe5Al7 (R - Gd, Tb, Dy, Ho,
Er) были выращены модифицированным методом Чохральского в атмосфере
аргона в трех-дуговой печи.
Рентгенокристаллографические исследования проводили на порошках,
полученных измельчением поликристаллических материалов и БЗС PrFe11-xGaxCy
(1.5 ≤ x ≤ 5, 0.5 ≤ y ≤ 2), SmFe11-xGaxC1.25 (2 ≤ x ≤ 5) и (Pr1-xSmx)(Fe,Ga)11C (0 ≤ x ≤
1), используя автоматизированный дифрактометр общего назначения ДРОН-6 в
монохроматизированном Cr-Kα излучении (графитовый монохроматор).
Подобные исследования на порошках, полученных из монокристаллов LuFexAl12-x
(x = 4, 4.5, 5, 5.5, 6) и RFe5Al7 (R - Gd, Tb, Dy, Ho, Er), выполняли с помощью
дифрактометра Bruker D8 Advance в монохроматизированном Cu-Kα излучении.
Монокристаллы LuFexAl12-x (x = 4, 4.5, 5, 5.5, 6) и RFe5Al7 (R - Gd, Tb, Dy,
Ho, Er) ориентировали с помощью съемки лауэграмм на отражение и ограняли
для проведения измерений магнитных, тепловых и акустических свойств.
Температурные зависимости начальной магнитной восприимчивости
поликристаллических и быстрозакаленных сплавов измеряли в температурном
интервале T = 77-1073 К в переменном синусоидальном магнитном поле 640 А/м с
частотой 80 Гц.
Полевые
и
температурные
зависимости
намагниченности
поликристаллических и быстрозакаленных сплавов измеряли с помощью
магнетометра с вибрирующим образцом (вибромагнетометра) в температурном
интервале T = 77-1123 К в магнитном поле до 2 Тл.
Магнитные измерения на вибромагнетометре были дополнены измерениями
на SQUID-магнетометре MPMS-7 с максимальным полем 7 Тл при температурах
T = 50-280 К.
На Physical Property Measurement System PPMS-14 с максимальным полем
14 Тл проводили измерение полевых и температурных зависимостей
намагниченности монокристаллов, а также их температурной зависимости
теплоемкости при T = 2-300 К.
Кривые намагничивания монокристалла DyFe5Al7 в импульсных магнитных
полях до 60 Тл были сняты в температурном интервале T = 2-80 К индукционным
методом с помощью коаксиальной системы измерительных катушек.
Измерения относительного изменения скорости ультразвука и его затухания
в монокристалле TbFe5Al7 были выполнены с помощью метода отраженных
импульсов в температурном интервале T = 2–300 К.
10
В Главе 3 описаны структурные и магнитные свойства многокомпонентных
сплавов RFe11-xGaxCy (R - Pr, Sm, 1.5 ≤ x ≤ 5, 0.5 ≤ y ≤ 2) с тетрагональной
кристаллической структурой типа BaCd11, стабилизированных галлием и
углеродом. Для исследования выбраны сплавы с редкоземельными компонентами,
дающие вклады разных типов в магнитную анизотропию.
Область гомогенности соединения PrFe11-xGaxCy ограничена интервалом 2 ≤
х ≤ 4.5 и 0.5 ≤ y ≤ 1.5. При высоком содержании Ga x > 3 происходит превращение
тетрагональной кристаллической структуры (пространственная группа I41/amd) в
орторомбическую, описываемую в рамках пространственной группы Imma.
При комнатной температуре соединение PrFe8Ga3C проявляет анизотропию
типа «легкая плоскость» [1]. Однако, происходящее при х > 3 понижение
симметрии кристаллической решетки при переходе от тетрагональной к
орторомбической структуре может привести к тому, что направления [100] и [010]
в магнитном отношении ведут себя совершенно по-разному, так что одно из них
может стать осью легчайшего намагничивания. У образцов сплавов с х = 4 – 5
было обнаружено повышение коэрцитивной силы Hc в сравнении c Hc сплавов с х
< 4. Это служит косвенным подтверждением существования слабой одноосной
анизотропии в плоскости (001) орторомбического соединения Pr(Fe,Ga)11C.
Дополнительное подтверждение можно было бы получить, исследуя магнитные
гистерезисные свойства этих сплавов в нанокристаллическом состоянии,
поскольку при приближении среднего размера зерен к критическому размеру
однодоменности коэрцитивная сила такого материала должна резко
увеличиваться. С этой целью была проведена быстрая закалка сплава PrFe7Ga4C
на колесо, вращающееся со скоростью v = 20 м/с, и отжиги этого БЗС при
температурах Та = 973 – 1273 К.
После быстрой закалки объемная доля фазы Pr(Fe,Ga)11C (1:11) в сплаве
составляет около 40%. Ее содержание увеличивается при отжигах за счет
уменьшения объемной доли сосуществующей с ней фазы Pr2(Fe,Ga)17C (2:17).
При комнатной температуре фаза 1:11 парамагнитна, и коэрцитивная сила,
обусловленная только ферромагнитной фазой 2:17, составила около 0.015 Тл (рис.
1). При понижении температуры до T = 80 К Нс быстрозакаленного сплава
увеличивалась до 0.175 Тл. Это, вероятно, обусловлено тем, что магнитотвердыми
становятся нанокристаллы Pr(Fe,Ga)11C со средним размером зерен около 50 нм. В
процессе отжига БЗС PrFe7Ga4C в интервале Та = 973 – 1273 К объемная доля
фазы Pr(Fe,Ga)11C увеличивалась, но средний размер зерен возрастал примерно до
100 нм, и значения Нс снижались. На рис. 1 также показаны значения
11
µ0Hc, Тл
коэрцитивной силы сплава PrFe7Ga4C в
микрокристаллическом состоянии. В
PrFe7Ga4C
0.16
сравнении с его Нс коэрцитивная сила
нанокристаллического
сплава
0.12
T = 293 К (БЗС)
непосредственно после закалки выше
T = 80 К (БЗС)
0.08
T = 293 К (МКС)
примерно в 6 раз. Наблюдаемое
T = 80 К (МКС)
повышение
Нс
может
служить
0.04
дополнительным
косвенным
0.00
подтверждением
того,
что
в
300 900 1000 1100 1200
орторомбическом
соединении
Ta, К
Рис. 1. Зависимость коэрцитивной силы БЗС появляется
магнитокристаллическая
PrFe7Ga4C (квадраты) при T = 293 и 80 К от
температуры отжига. Круги показывают анизотропия в плоскости (001).
коэрцитивную силу микрокристаллического
Соединения
R(Fe,Si)11C
со
сплава, отожженного при Ta = 1273 К в
структурой типа BaCd11, обладающие
течение 10 ч.
магнитоодноосной
анизотропией,
3+
могут быть получены при замене редкоземельного иона Pr с отрицательным
параметром Стивенса второго порядка на Sm3+ с положительным его значением.
В литых сплавах SmFe11-xGaxC1.25 (2 ≤ x ≤ 5) даже после длительного отжига
формируется лишь небольшое количество соединения со структурой типа BaCd11.
Однако, быстрая закалка расплава на вращающееся колесо и последующий отжиг
приводят к существенному увеличению объемной доли этой фазы.
Наибольшее количество фазы 1:11 - не менее 60% - формируется в сплаве
SmFe8Ga3C1.25 при закалке со скоростью v = 10 - 30 м/с. При v = 40 м/с происходит
существенная аморфизация сплава и снижение объемной доли фазы 1:11. Для
остальных сплавов характерна похожая зависимость фазового состава от скорости
вращения колеса.
С целью повышения содержания фазы 1:11 в БЗС SmFe11-xGaxC1.25 (2 ≤ x ≤ 5)
были проведены их отжиги при температурах Ta = 773-1123 K в течение 10 мин.
Отжиги сплавов, закаленных со скоростями v ≤ 30 м/с, не приводят к
качественным изменениям их фазового состава. Такие изменения проявляются
при отжиге сплавов, закаленных со скоростью v = 40 м/с. Эти БЗС содержали
высокую объемную долю аморфной фазы, которая при температурах T ≥ 823 K
кристаллизуется, главным образом, в фазу 1:11. В результате этого превращения
после отжигов при температурах Ta ≥ 873 K сплав с x = 3 становится однофазным.
При уменьшении концентрации Ga фаза 1:11 сосуществует с фазой на основе α12
µ0Hc, Тл
2
M7, А*м /кг
TC, K
Fe, а при x = 4 – с фазой 2:17. При x = 5 дополнительно формируется фаза с
тетрагональной структурой типа ThMn12.
На
рис.
2
показаны
480
а)
SmFe
Ga
C
420
11-x
x 1.25
концентрационные
зависимости
360
температуры Кюри TC фазы 1:11,
300
максимальной
намагниченности
M7,
б)
100
80
измеренной в поле 7 Тл, и коэрцитивной
T = 50 K
60
T = 280 K
силы
Hc
сплавов
SmFe11-xGaxC1.25,
1.2
в)
закаленных при v = 40 м/с и отожженных
0.8
T = 50 K
при Ta = 973 К (в этом состоянии сплавы
0.4
T = 280 K
0.0
имеют максимальную коэрцитивную
2
3
4
5
Содержание Ga, x
силу, которая обеспечивается высокой
Рис. 2. Концентрационные зависимости
температуры
Кюри
(а),
удельной объемной долей фазы 1:11). Температура
намагниченности M7, измеренной в поле 7 Кюри фазы 1:11 снижается с ростом
Тл (б), и коэрцитивной силы (в) сплавов
SmFe11-xGaxC1.25 (2 ≤ x ≤ 5), закаленных со содержания Ga в сплавах (рис. 2а).
скоростью v = 40 м/с и отожженных при Максимальная
намагниченность
M7
Ta = 973 K.
сплавов SmFe11-xGaxC1.25 (2 ≤ x ≤ 4)
зависит от x подобным образом при T = 80 К и 293 К (рис. 2б). При T = 80 К сплав
SmFe8Ga3C1.25 имеет максимальное значение коэрцитивной силы, что показано на
рис. 2в. Однако при T = 293 К фаза 1:11 в сплавах SmFe11-xGaxC1.25 с x = 3 и 4
приближается к фазовому переходу в парамагнитное состояние, и их
коэрцитивные силы оказываются ниже в сравнении со сплавом с x = 2.
C целью получения значений поля Ha и константы K1 анизотропии
соединения SmFe8Ga3C1.25 провели аппроксимацию кривых размагничивания
однофазных образцов этого БЗС по теории Стонера-Вольфарта [2] для
перемагничивания ансамбля магнитоодноосных невзаимодействующих частиц по
механизму вращения векторов намагниченности. В результате получены значения
µ 0Ha = 9.2 Тл и K1 = 3.1 * 106 Дж/м3 при Т = 50 К. Эти значения, а также высокие
Hc при низких температурах могут свидетельствовать о том, что фаза
Sm(Fe,Ga)11C является магнитоодноосной, при этом высокая энергия
магнитокристаллической анизотропии в ней обусловлена подрешеткой самария.
Поскольку соединение Pr(Fe,Ga)11C проявляет анизотропию типа "легкая
плоскость", а Sm(Fe,Ga)11C является магнитоодноосным, можно ожидать, что в
соединениях (Pr1-xSmx)(Fe,Ga)11C (0 ≤ x ≤ 1) с обоими редкоземельными
компонентами произойдет спин-переориентационный магнитный фазовый
переход из-за конкуренции разных вкладов празеодима и самария в анизотропию.
13
На рис. 3 построена магнитная фазовая
диаграмма соединений (Pr1-xSmx)Fe8Ga3C
парамагнетик
400
(0 ≤ x ≤ 1). При x ≤ 0.4 фаза 1:11 проявляет
конус
анизотропию типа "легкая плоскость" во
300
всем
температурном
интервале
200
магнитоупорядоченного состояния. В
ось
соединениях с x = 0.5 и 0.6 тип магнитной
плоскость
100
анизотропии меняется от "легкого конуса"
при высоких температурах к "легкой
0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
плоскости" при низких температурах. В
Концентрация Sm
Рис. 3. Магнитная фазовая диаграмма
интервале концентраций 0.6 ≤ x ≤ 1
соединений (Pr1-xSmx)Fe8Ga3C (0 ≤ x ≤ 1).
условно нанесена пунктирная линия,
которая должна разграничивать области, в которых соединение 1:11 может
проявлять анизотропию типа "конус легких осей" или типа "легкая ось".
Соединение SmFe8Ga3C с самым высоким содержанием самария является
одноосным ферромагнетиком без признаков спин-переориентационного перехода.
12
В Главе 4 представлены результаты
H
||
[100]
LuFexAl12-x
систематического
исследования
10
фундаментальных магнитных свойств
монокристаллов LuFexAl12-x (4 ≤ x ≤ 6) с
8
тетрагональной
кристаллической
6
структурой типа ThMn12. При x = 4 атомы
x = 4.0
x = 4.5
Fe занимают только позиции 8f, а с ростом
x = 5.0
4
x = 5.5
x = 6.0
x они начинают размещаться также в
позициях
8j.
Изменение
обменных
2
T=2K
взаимодействий в этих соединениях
0
0
2
4
6
8
10
12
14 отражено на концентрационной эволюции
µ00H,
H (T)
µ
Тл
кривой намагничивания вдоль легкой оси
Рис. 4. Кривые намагничивания,
[100] при T = 2 K (рис. 4). Происходит
измеренные
вдоль
оси
[100]
монокристаллов LuFexAl12-x с x = 4, 4.5, постепенное изменение формы кривых,
5, 5.5 и 6 при T = 2 K.
предполагающее
переход
из
антиферромагнитного в ферромагнитное состояние. Намагниченность LuFe4Al8
испытывает медленный рост. Соединение с x = 4.5 имеет значительно более
высокую восприимчивость в низком магнитном поле. Это соединение имеет
нулевой спонтанный момент, но в поле 1-2 Тл происходит скачок
намагниченности, который можно рассматривать как метамагнитный переход.
500
M, (µ
µµБB/ф.е.
M
/f.u.)
Температура, K
Pr1-xSmxFe8Ga3C
14
10
µ0µH0Hcrcr, (T)
Тл
dM/dHµ(µ
µB/T)
dM/dH,
Б/Тл
µB/f.u.)
M,Mµ(µ
Б/ф.е.
При x = 5 поле этого перехода стремится к нулю. Соединения с x = 5.5 и 6 имеют
ненулевой спонтанный момент и существенно более высокие значения
намагниченности.
Кривая намагничивания вдоль оси [100] антиферромагнетика LuFe4Al8 при
T = 2 K имеет слабую аномалию S-образной формы в поле около 8 Тл (рис. 5). Эта
особенность становится намного более отчетливой при более высоком
содержании железа в LuFe4.5Al7.5 и LuFe5Al7 (см. рис. 4). Аномалия на
зависимости M(H) монокристалла LuFe4Al8 предполагает метамагнитный переход.
Он осуществляется в широком интервале полей. Для того, чтобы определить его
критическое поле Hcr, была взята производная намагниченности по полю dM/dH,
также показанная на рис. 5. При T = 2 К функция dM/dH(H) имеет максимум при
µ 0Hcr = 8 Тл. На вставке к рис. 5 приведена температурная зависимость поля
перехода, показывающая, что Hcr
2.4
постепенно снижается с температурой.
LuFe4Al8
H || [100]
При T > 80 К переход пропадает.
1.6
Критические поля метамагнитных
переходов, которые происходят в
0.8
2K
80 K
соединениях LuFe4.5Al7.5 и LuFe5Al7 при
0.0
низких температурах, значительно ниже:
0.24
при T = 2 К они равны 1.5 Тл и 0.35 Тл
соответственно. Это означает, что в
0.16
системах
LuFexAl12-x
0.08
2K
антиферромагнитные
обменные
80 K
взаимодействия ослабевают с ростом
T (K)
0.00
содержания железа. В этом ряду
0
2
4
6
8
10
12
14
µ
H
(T)
µ0H, Тл
соединений изменение вида обменных
Рис. 5. Кривые намагничивания,
измеренные
вдоль
оси
[100] взаимодействий происходит вблизи x =
монокристалла LuFe4Al8 при T = 2 и 80 5. Соединение LuFe5Al7 имеет сложную
К, и их производные по полю. Вставка
структуру,
которая
показывает температурную зависимость магнитную
критического поля метамагнитного претерпевает существенные изменения с
перехода.
температурой.
С
исчезновением
метамагнитного перехода около T = 80 К в этом соединении появляется
спонтанный магнитный момент. В LuFe5.5Al6.5 и LuFe6Al6 сохраняется тенденция
усиления ферромагнитного порядка.
8
6
4
2
0
0
20
40
60
80
15
Фазовая диаграмма, представленная
на рис. 6, обобщает информацию о
P
парамагнетик
300
LuFe x Al12-x
концентрационной эволюции обменных
200
взаимодействий в системе LuFexAl12-x (4 ≤ x
F
ферромагнетик
≤ 6). Соединения LuFe4Al8 и LuFe4.5Al7.5
100
AF
являются
антиферромагнетиками
с
антиферромагнетик
0
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0 температурами Нееля вблизи TN = 120 К.
Содержание
Fe content Fe,
x x
Ферромагнитные
обменные
Рис. 6. Магнитная фазовая диаграмма
взаимодействия преобладают в соединении
соединений LuFexAl12-x (4 ≤ x ≤ 6).
LuFe5Al7 между TN = 80 К и точкой Кюри
TC = 200 К. Этот температурный интервал расширяется при дальнейшем
повышении содержания железа. Соединение LuFe6Al6 является ферромагнетиком.
Изменение магнитного порядка при повышении содержания железа в
соединениях LuFexAl12-x от x = 4 до x = 6 отражает присутствие в них
конкурирующих обменных взаимодействий.
Соединения LuFexAl12-x в пределах области гомогенности 4 ≤ x ≤ 6
проявляют анизотропию типа "легкая плоскость". Ось c является осью трудного
намагничивания. Для соединений с x ≥ 5 можно оценить энергию Ea магнитной
анизотропии по величине площади между кривыми намагничивания вдоль
легкого и трудного направлений. При T = 2 К для LuFe5Al7, LuFe5.5Al6.5 и LuFe6Al6
получены значения Ea ≈ -1 МДж/м3, -0.85 МДж/м3 и -0.7 МДж/м3 соответственно.
Поле анизотропии Ha соединений с x = 5.5 и 6.0 может быть определено
методом определения сингулярных точек - singular point detection [3] (для
соединений с x < 5.5 метод SPD не может быть использован из-за высокой доли
антиферромагнитных обменных взаимодействий в них). Установлено, что
соединение LuFe5.5Al6.5 имеет более высокие значения поля анизотропии (µ 0Ha =
3.3 Тл при T = 2 К), чем LuFe6Al6 (µ 0Ha = 2.9 Тл при T = 2 К). Это согласуется с
оценкой энергии анизотропии, сделанной выше для этих двух соединений.
Известно, что железная подрешетка в изоструктурных соединениях с
высоким содержанием железа, таких, как RFe10V2 [4,5] и RFe11Ti [5], проявляет
анизотропию типа "легкая ось". Это означает, что тип магнитной анизотропии
железной подрешетки в соединениях с тетрагональной кристаллической
структурой типа ThMn12 меняется в интервале между 6 и 10 атомами Fe на
формульную единицу. При изучении квази-тройных систем LuFexAl10-xSi2 (7 ≤ x ≤
10) [6] установлено, что увеличение содержания алюминия приводит к
постепенному
ослаблению
одноосной
анизотропии.
Следовательно,
T (K)
400
16
концентрационный спин-переориентационный переход от "легкой плоскости" к
"легкой оси" в подрешетке железа происходит в интервале 6 ≤ x ≤ 7.
Наблюдаемое изменение анизотропии соединений LuFexAl12-x (4 ≤ x ≤ 6)
отражает присутствие конкурирующих анизотропных взаимодействий внутри
железной подрешетки в соединениях с тетрагональной кристаллической
структурой типа ThMn12. Постепенное заполнение позиции 8j атомами Fe в
системах, изученных в этой работе, приводит к ослаблению анизотропии типа
"легкая плоскость", а богатые железом соединения проявляют анизотропию типа
"легкая ось". Это предполагает, что, в отличие от атомов Fe в позиции 8f, атомы
Fe в позиции 8j дают одноосный вклад в магнитную анизотропию. В богатых
железом соединениях, например, в RFe11Ti, атомы Fe также заполняют позиции 8i.
Их вклад в магнитную анизотропию можно оценить экстраполяцией значений Ea,
полученных для соединений с x = 5.5 и 6, на x = 11. Эта экстраполяция дает Ea ≈
+0.8 МДж/м3. Однако, на монокристалле LuFe11Ti было получено значительно
более высокое значение Ea ≈ +1.4 МДж/м3 [7]. Следовательно, атомы Fe в позиции
8i дают даже более сильный одноосный вклад в магнитную анизотропию, чем
атомы Fe в позиции 8j.
В Главе 5 обсуждаются магнитные свойства соединений RFe5Al7 с
магнитными редкоземельными компонентами R - Gd, Tb, Dy, Ho и Er, изученных
на монокристаллах. Все эти соединения имеют ферримагнитное упорядочение.
В Таблице 1 суммированы фундаментальные магнитные характеристики
соединений RFe5Al7 с R - Gd, Tb, Dy, Ho и Er. Ферримагнитное упорядочение этих
соединений приводит к низким спонтанным моментам при низких температурах.
Таблица 1. Магнитные характеристики ферримагнетиков RFe5Al7 (R - Gd, Tb, Dy, Ho и Er).
R
Gd
Tb
Dy
Ho
Er
Ms, µ Б/ф.е.
(при T = 2 К)
0.58
1.24
2.13
2
1.28
Tcomp, К
TC, К
84
93
65
34
262
238
231
216
201
Значения магнитного момента железной подрешетки в RFe5Al7 равны MFe = 7.6 - 8
µ Б при T = 2 К. Соединение GdFe5Al7 не имеет точки компенсации, а остальные
17
M
µµББB/ф.е.
Msss, (µ
/f.u.)
M
µ
/f.u.)
M,
M,(µ
µ
µБBБ/ф.е.
/ф.е.
соединения имеют. Температура компенсации Tcomp и температура магнитного
упорядочения TC уменьшаются с понижением спина редкоземельных атомов.
Соединения RFe5Al7 проявляют анизотропию типа "легкая плоскость".
Анизотропия намагниченности обнаружена также внутри базисной плоскости. В
GdFe5Al7, где одноионная редкоземельная магнитокристаллическая анизотропия
равна нулю, обнаружена сильная анизотропия между базисной плоскостью и осью
c, связанная с железной подрешеткой. Это объясняется близостью системы к
компенсации при низких температурах (Ms = 0.58 µ Б/ф.е. при T = 2 К).
Редкоземельные элементы, имеющие
6
ненулевой
орбитальный
момент
4f
HoFe5Al7
2
5
T=2K
электронной оболочки, дают сильный
1
одноионный вклад в анизотропию. На рис. 7
4
0
показаны
полевые
зависимости
0
60
120 180 240
3
T (K)
намагниченности,
измеренные
вдоль
2
направлений
[100],
[110]
и
[001]
[100]
монокристалла HoFe5Al7 при T = 2 К (кривые
[110]
1
[001]
намагничивания монокристаллов с R - Tb,
0
Dy и Er качественно похожи на эти).
0
2
4
6
8
10
12
14
(T)
µµ
Магнитные моменты лежат в базисной
µ000HH
H,(Тл)
Тл
Рис. 7. Кривые намагничивания,
измеренные вдоль осей [100], [110] и плоскости, ОЛН является ось [110] с Ms = 2.0
[001] монокристалла HoFe5Al7 при T µБ/ф.е. Сильная анизотропия видна внутри
=
2
К.
Вставка
показывает
базисной плоскости из разного поведения
температурную
зависимость
спонтанного магнитного момента кривых M(H) вдоль направлений [100] и
вдоль оси [110].
[110]. Ось [001] является направлением
трудного намагничивания. На вставке к рис. 7 показана ферримагнитная
температурная зависимость спонтанного магнитного момента вдоль направления
[110] соединения HoFe5Al7.
В соединениях RFe5Al7 железная подрешетка значительно разбавлена
алюминием, в результате чего обменные взаимодействия Fe-Fe и R-Fe
оказываются слабыми. Это может привести к формированию неколлинеарной
магнитной структуры в нулевом магнитном поле. Однако, высокое значение
магнитного момента на атом железа практически исключает эту возможность.
Следует отметить, что в соединении LuFe5Al7 была обнаружена неколлинеарная
магнитная структура. По-видимому, коллинеарную ферримагнитную структуру
стабилизируют
межподрешеточные
обменные
взаимодействия
R-Fe.
Неколлинеарная магнитная структура возникает во внешнем поле, о чем
18
-3
-1 -1-1 -1
(J моль
mol K
CpC, pДж
К)
∆α,(dB/cm)
дБ/см
∆α
10-3)
v/v (10
∆∆v/v,
M
µБ/f.u.)
/ф.е.
Mss,(µ
µ
B
свидетельствует интенсивное возрастание намагниченности после завершения
движения доменных стенок (см. рис. 7).
Соединения RFe5Al7 с R - Tb, Dy и Ho проявляют анизотропию типа "легкая
плоскость". Ионы Tb3+, Dy3+ и Ho3+ имеют отрицательный знак параметра
Стивенса второго порядка αJ [8]. Несмотря на положительный знак параметра
Стивенса второго порядка иона Er3+, подрешетка эрбия проявляет анизотропию
типа "легкая плоскость". Несоответствие знака αJ иона Er3+ и типа
магнитокристаллической анизотропии подрешетки эрбия, по-видимому,
обусловлено малой величиной αJ, и относительно большой отрицательный вклад в
энергию анизотропии дают члены высоких порядков подрешетки эрбия.
В соединении TbFe5Al7 (Tcomp = 84
2.0
а
К, TC = 238 К) происходит спинTbFe5Al7
1.5
переориентационный магнитный фазовый
1.0
переход внутри базисной плоскости. Из
рис. 8а следует, что при T ≤ 95 К ОЛН
0.5
[100]
[110]
является направление [100], а при более
0.0
высоких температурах - направление
15
0
б
f = 62
62 MHz
МГц
[110]. На рис. 8б показаны температурные
k || u || [100]
10
-20
зависимости относительного изменения
5
-40
скорости продольной звуковой волны
0
-60
∆v/v
вдоль оси [100] (волновой вектор k и
∆α
вектор смещения u параллельны этой
-5
-80
300 в
оси) ∆v/v и ее затухания ∆α в нулевом
магнитном поле. Обе акустические
200
характеристики
имеют
широкую
100
аномалию в области точки компенсации.
Точка компенсации не является фазовым
0
0
50
100
150
200
250
переходом. Следовательно, наблюдаемое
T (K)
изменение
спин-фононного
Рис. 8. Температурные зависимости
спонтанных магнитных моментов вдоль
взаимодействия в TbFe5Al7 связано со
осей [100] и [110] (а), относительного
спин-переориентационным
переходом
изменения скорости звука и его
ослабления вдоль оси [100] (б) и
внутри базисной плоскости. Однако, этот
удельной
теплоемкости
(в)
переход не виден на температурной
монокристалла TbFe5Al7.
зависимости теплоемкости (рис. 8в).
Наиболее вероятной причиной является слишком низкое изменение магнитной
энтропии при переходе.
19
Вдоль направлений базисной плоскости соединений RFe5Al7 с R - Tb, Dy,
Ho и Er происходят индуцированные внешним полем переходы, отражающие
скачкообразное вращение магнитных моментов редкоземельных атомов и железа.
Вблизи точки компенсации в полях до 14 Тл в соединениях с R - Tb, Dy, Ho
наблюдается по одному скачку вдоль оси легкого намагничивания, а в соединении
с R - Er - по одному скачку как вдоль
20
легкого, так и трудного направления внутри
базисной плоскости. Измерение кривых
µH
16
µH
намагничивания монокристалла DyFe5Al7 в
импульсных магнитных полях до 60 Тл
12
T (K)
показало, что вдоль ОЛН [100] происходят
DyFe5Al7
два скачка намагниченности в полях 30 и 53
8
T=2K
[100]
Тл до достижения ферромагнитного
[110]
[001]
4
насыщения (рис. 9). Оба скачка имеют
имп.
[100], pulse
имп.
[110], pulse
имп.
[001], pulse
гистерезис
и
являются
фазовыми
0
первого рода. Вдоль двух
0
10
20
30
40
50
60 переходами
H (T)
µµ00H,
Тл
других осей скачки намагниченности
Рис. 9. Кривые намагничивания,
отсутствуют.
В
максимальном
измеренные вдоль осей [100], [110] и
[001] монокристалла DyFe5Al7 при T = 2 приложенном поле намагниченность вдоль
К в импульсных магнитных полях до 60 оси
[100]
достигает
17
µ Б/ф.е.
Тл. Символы представляют результаты
насыщение
будет
измерений в статических магнитных Ферромагнитное
полях до 14 Тл. Вставка показывает достигнуто в немного более высоком поле,
температурные
зависимости
критических полей первого и второго что следует из суммы магнитных моментов
переходов.
подрешеток Dy и Fe: MDy + MFe = 10 + 7.9 =
17.9 µ Б/ф.е.
Температурная зависимость критических полей Hcr1 и Hcr2 первого и второго
переходов соответственно вдоль оси [100] монокристалла DyFe5Al7 показана на
вставке к рис. 9. Значения Hcr1 быстро снижаются от 30 Тл при T = 2 К до нуля
при Tcomp = 93 К, а затем увеличиваются с повышением температуры до T = 100 К.
Критическое поле второго перехода не меняется с температурой. Важно отметить,
что, аналогично Hcr1, скачок намагниченности ∆M1 при первом переходе проходит
через нуль при T = Tcomp, качественно повторяя температурную зависимость
общей намагниченности соединения, а не магнитных моментов отдельных
подрешеток. Следовательно, вид температурных зависимостей Hcr1 и ∆M1
предполагает одновременное вращение железной и диспрозиевой магнитных
подрешеток при первом переходе.
M (µ
/f.u.)
M,
µµБB/ф.е.
H (T)
µ00H,
µ
Тл
60
40
0
cr1
0
cr2
20
0
0
20
40
60
80
100
20
Высокоанизотропные
соединения
RFe5Al7 с R - Tb, Dy, Ho и Er проявляют
сильный магнитный гистерезис при низких
1
температурах вдоль направлений, лежащих
в базисной плоскости. Типичные петли
0
гистерезиса при низких температурах
показаны на рис. 10 вдоль ОЛН [100]
2K
10 K
-1
монокристалла ErFe5Al7. Петли имеют
15 K
20 K
форму,
близкую
к
прямоугольной.
30 K
45 K
Коэрцитивная сила µ 0Hc достигает 2.5 Тл
-2
-3
-2
-1
0
1
2
3
4 при T = 2 К. Такое высокое значение H
c
µµ00H,
Тл
H (T)
отражает сильную анизотропию внутри
Рис. 10. Петли гистерезиса, измеренные
плоскости
соединения.
С
вдоль оси [100] монокристалла ErFe5Al7, базисной
при T = 2-45 К.
повышением температуры коэрцитивная
сила экспоненциально снижается, а вблизи точки компенсации Tcomp = 34 К ее
значения растут. Сильный магнитный гистерезис, связанный с узкими доменными
стенками, приводит к инверсии намагниченности при измерениях в полях,
меньших коэрцитивной силы.
2
H || [100]
M (µ
/f.u.)
M,
µµБB/ф.е.
ErFe5Al7
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
1. Установлено, что при содержании галлия х > 3 тетрагональная решетка
соединения PrFe11-xGaxC превращается в орторомбическую, что сопровождается
появлением одноосной магнитокристаллической анизотропии в плоскости (001).
Показано, что в нанокристаллическом быстрозакаленном сплаве PrFe7Ga4C
коэрцитивная
сила
превосходит
соответствующее
значение
для
микрокристаллического состояния примерно в 6 раз при T = 80 К.
Быстрозакаленные сплавы SmFe11-xGaxC являются магнитоодноосными с высокой
энергией магнитокристаллической анизотропии. Оцененные значения поля и
константы анизотропии второго порядка для соединения SmFe8Ga3C1.25
составляют соответственно µ 0Ha = 9.2 Тл и K1 = 3.1*106 Дж/м3 при Т = 50 К.
2. В сплавах (Pr1-xSmx)Fe8Ga3C (0 ≤ x ≤ 1) обнаружен концентрационный
спин-переориентационный фазовый переход, связанный с конкурирующими
вкладами редкоземельных подрешеток в магнитокристаллическую анизотропию.
Построена
концентрационная
фазовая
диаграмма
для
типа
магнитокристаллической анизотропии этих соединений. При высокой
концентрации празеодима x ≤ 0.4 сплавы проявляют анизотропию типа "легкая
21
плоскость". С повышением содержания самария тип магнитной анизотропии
сплавов с 0.5 ≤ x ≤ 0.9 изменяется с "легкой плоскости" при низких температурах
на "легкую ось" или "легкий конус" при высоких температурах.
Магнитоодноосное соединение SmFe8Ga3C не имеет признаков спинпереориентационного перехода.
3. Получены монокристаллы LuFexAl12-x (4 ≤ x ≤ 6) с тетрагональной
кристаллической структурой типа ThMn12. Показано, что внутри железной
подрешетки, с которой связан магнитный порядок в этих соединениях,
присутствуют конкурирующие обменные и анизотропные взаимодействия.
Построена концентрационная фазовая диаграмма для вида обменных
взаимодействий. Антиферромагнитный порядок, характерный для соединений с x
= 4 и 4.5, постепенно ослабевает с ростом содержания Fe и сменяется на
ферромагнитный вблизи x = 5. В соединениях с x = 5.5 и 6 преобладают
ферромагнитные
обменные
взаимодействия.
Обнаружено
ослабление
анизотропии типа "легкая плоскость" с повышением содержания Fe. Установлено,
что кристаллографические позиции 8f, полностью занятые атомами Fe, дают
отрицательный вклад в магнитную анизотропию, тогда как позиции 8j,
заполнение которых происходит от x = 4 до x = 6, - положительный.
4. Исследованы магнитные свойства монокристаллов соединений RFe5Al7 (R
- Gd, Tb, Dy, Ho и Er). Показано, что магнитные моменты упорядочены
ферримагнитно. Во всех соединениях за исключением GdFe5Al7 происходит
компенсация редкоземельной и железной подрешеток. Установлено, что значения
температуры магнитного упорядочения и температуры компенсации
пропорциональны спину редкоземельного элемента. Магнитные моменты всех
соединений ориентированы в базисной плоскости. В соединениях с
редкоземельными компонентами, имеющими ненулевой орбитальный момент,
обнаружена сильная одноионная магнитокристаллическая анизотропия в пределах
базисной плоскости. Величина анизотропии пропорциональна абсолютной
величине параметра Стивенса второго порядка редкоземельных ионов R3+.
5. Вблизи точки компенсации соединений с R - Tb, Dy, Ho и Er обнаружены
скачки намагниченности во внешнем поле, приложенном в базисной плоскости.
Установлено, что причиной скачков является спин-переориентационный фазовый
переход, связанный с одновременным вращением магнитных моментов
редкоземельной и железной подрешеток. В базисной плоскости соединения
TbFe5Al7 обнаружен спонтанный спин-переориентационный фазовый переход от
направления [100] к [110] с повышением температуры в области точки
22
компенсации Tcomp = 84 К. Обнаружены аномалии скорости распространения и
затухания продольной звуковой волны в окрестности перехода.
6. Высокоанизотропные соединения RFe5Al7 с R - Tb, Dy, Ho и Er проявляют
сильный магнитный гистерезис при низких температурах вдоль направлений,
лежащих в базисной плоскости. Коэрцитивная сила, обусловленная задержкой
смещения узких доменных стенок, экспоненциально снижается с ростом
температуры. При измерении температурных зависимостей намагниченности в
области температуры компенсации обнаружена инверсия намагниченности.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. Иванова, Г. В. Влияние галлия на кристаллическую структуру и магнитные
свойства соединений PrFe11-xGaxCy / Г. В. Иванова, А. Г. Попов, В. С. Гавико, Е. В.
Белозеров, Е. Г. Герасимов, Г. М. Макарова, Л. А. Шредер, Д. И. Горбунов, А. С.
Ермоленко // Физика металлов и металловедение. – 2009. – Т. 108. – С. 467-474.
2. Попов, А. Г. Фазовый состав и магнитные свойства нанокристаллических
сплавов SmFe11-xGaxC1.25 (2 ≤ x ≤ 5) / А. Г. Попов, Д. И. Горбунов, В. С. Гавико, Л.
А. Сташкова, Н. Н. Щеголева, Г. М. Макарова, А. С. Волегов // Физика металлов и
металловедение. – 2010. – Т. 110. – С. 15-25.
3. Popov, A. G. Spin Reorientation Transition in Nanocrystalline (Pr,Sm)Fe8Ga3C / A.
G. Popov, D. I. Gorbunov, G. V. Ivanova, G. M. Makarova, A. V. Korolev // Solid State
Phenomena. – 2011. – Vol. 168-169. – P. 126-129.
4. Gorbunov, D.I. Magnetic properties of a DyFe5Al7 single crystal / D. I. Gorbunov, A.
V. Andreev, N. V. Mushnikov // J. Alloys Compd. – 2012. – Vol. 514. – P. 120-126.
5. Gorbunov, D. I. Magnetic properties of a GdFe5Al7 single crystal / D. I. Gorbunov,
A. V. Andreev, M. D. Kuz'min // Phys. Rev. B. – 2012. – Vol. 86. – P. 024407 (8p).
6. Gorbunov, D. I. Magnetic properties of a HoFe5Al7 single crystal / D. I. Gorbunov,
A.V. Andreev // Solid State Phenom. – 2013. – Vol. 194. – P. 54-57.
7. Gorbunov, D. I. High-field magnetization of a DyFe5Al7 single crystal / D. I.
Gorbunov, A. V. Andreev, Y. Skourski, M. D. Kuz’min // J. Alloys Compd. – 2013. –
Vol. 553. – P. 358-363.
8. Gorbunov, D. I. Magnetization study of single-crystalline ErFe5Al7 / D. I. Gorbunov,
A. V. Andreev // J. Alloys Compd. – 2013. – Vol. 556. – P. 109-115.
9. Gorbunov, D. I. Evolution of magnetism in LuFexAl12-x (4 ≤ x ≤ 6) single crystals / D.
I. Gorbunov, A. V. Andreev, S. Daniš, J. Pospíšil // J. Alloys Compd. – 2013. – Vol.
563. – P. 63-71.
10. Gorbunov, D. I. Magnetic properties of single-crystalline TbFe5Al7 / D. I.
Gorbunov, A. V. Andreev // J. Alloys Compd. – 2013. – Vol. 577. – P. 203-210.
23
11. Gorbunov, D. I Magnetization study of a GdFe5Al7 single crystal // D. I. Gorbunov,
A. V. Andreev, M. D. Kuz’min. // J. Korean Phys. Soc. – 2013. – Vol. 62. – P. 15171520.
ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
[1] Gaviko, V.S. Crystal structure and magnetic properties of novel compound
PrFe8Ga3C / V. S. Gaviko, A. G. Popov, G. V. Ivanova, N. V. Mushnikov, Ye. V.
Belozerov, A .S. Ermolenko, L. A. Shreder // Solid State Phenomena. – 2009. – Vol.
152-153. – P. 75.
[2] Stoner, E. C. A mechanism of magnetic hysteresis in heterogeneous alloys / E. C.
stoner, E. P. Wohlfarth // IEEE Trans. Magn. – 1991. – Vol. 27. – P. 3475.
[3] Asti, G. Singular points in the magnetization curve of a polycrystalline ferromagnet /
G. Asti, S. Rinaldi // J. Appl. Phys. – 1974. – Vol. 45. – P. 3600.
[4] de Boer, F.R. Magnetic properties of a series of novel ternary intermetallics
(RFe10V2) / F.R. de Boer, Y. – K. Huang, D. B. de Mooij, K. H. J. Buschow // J. LessCommon Met. – 1987. – Vol. 135. – P. 199.
[5] Андреев, А. В. Высокоанизотропные редкоземельные магниты RFe12-xMx // А.
В. Андреев, А. Н. Богаткин, Н. В. Кудреватых, С. С. Сигаев, Е. Н. Тарасов //
ФММ. – 1989. – Т. 68. – С. 70.
[6] Andreev, A. V. Magnetic properties of LuFe10-xAlxSi2 quasi-ternaries compared with
UFe10-xAlxSi2 / A. V. Andreev, Ye. V. Scherbakova, T. Goto, W. Suski // J. Alloys
Compd. – 1993. – Vol. 198. – P. 43.
[7] Andreev, A. V. Magnetic properties of single crystals of ErFe11Ti and LuFe11Ti / A.
V. Andreev, V. Sechovský, N. V Kudrevatykh, S. S. Sigaev, E. N. Tarasov // J. LessCommon Met. – 1988. – Vol. 144. – P. L21.
[8] Kuz’min, M. D. Theory of Crystal-Field Effects in 3d-4f Intermetallic Compounds /
M. D. Kuz’min, A. M. Tishin // Handbook of Magnetic Materials, ed. K. H. J.
Buschow. - North-Holland, 2008. - Vol. 17. – P. 149.
24
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
9
Размер файла
418 Кб
Теги
типа, магнитные, соединений, свойства, редкоземельных, 11c, интерметаллических
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа