Магнитная анизотропия и магнитные фазовые переходы в интерметаллидах типа R2Fe17,Nd2Fe14BHx и RMn6Sn6 Терентьев, Павел Борисович

Введение к работе

Актуальность темы. Магнитные фазовые переходы присущи всем магнитным материалам, обладающим магнитным упорядочением, и являются важной областью фундаментальных исследований и практического применения. Магнитные фазовые переходы представляют собой изменение магнитного состояния вещества (магнитного упорядочения) при достижении внешними параметрами (такими, как магнитное поле, давление, температура) некоторых критических значений. Наличие магнитных фазовых переходов определяется кристаллографической структурой соединения, магнитными характеристиками атомов и взаимодействиями атомов соединения друг с другом. В связи с этим исследование магнитных фазовых переходов может дать информацию о магнитных и других физических свойствах материала.

Одним из возможных способов получения информации о магнитных свойствах соединения из результатов измерения кривых намагничивания на монокристаллических или поликристаллических образцах является компьютерное моделирование процессов намагничивания. Оно заключается в сравнении расчетной кривой намагничивания, полученной на основе некоторой физической модели, и экспериментальной. Компьютерное моделирование процессов намагничивания, в зависимости от выбранной физической модели, позволяет получать с достаточно большой точностью параметры, характеризующие магнитную анизотропию, такие как константы магнитокристаллической анизотропии.

Интерметаллические соединения редкоземельных элементов с 3 о-переходными металлами, как правило, обладают несколькими магнитными подрешетками. Взаимодействие этих подрешеток приводит к усложнению магнитного поведения таких систем, а также оно во многом обусловливает магнитные и немагнитные характеристики материала и определяет возникновение магнитных фазовых переходов. Наличие «незамороженного» кристаллическим полем орбитального момента 4/-электронной оболочки у редкоземельных ионов приводит к возникновению новых эффектов. Прежде всего, к таким эффектам относятся гигантская одноионная магнитная анизотропия и гигантская магнитострикция. В то же время, соединения, богатые 3 О-переходными металлами, такие как R₂T₁₇, R₂T₁₄B (R - редкоземельный металл, T - 3 О-переходный метал), за счет 3 О-магнитной подрешетки обладают большой намагниченностью и высокой температурой Кюри. Сочетание гигантской магнитной анизотропии, большой намагниченности и высокой температуры Кюри делает интерметаллические соединения редкоземельных элементов с 3 О-переходными металлами наиболее перспективными материалами для изготовления постоянных магнитов.

В данной работе одним из объектов исследования было выбрано соединение Nd₂Fe₁₄B, так как оно обладает уникальным сочетанием высоких значений магнитной анизотропии и магнитного момента, и на сегодняшний день является лучшим материалом для постоянных магнитов. Введение водорода оказывает сильное влияние на магнитную анизотропию Nd₂Fe₁₄B. Так, при гидрировании уменьшается поле анизотропии при комнатной температуре. Также в Nd₂Fe₁₄B и его гидридах наблюдаются спонтанные и индуцированные магнитным полем фазовые переходы. Все это делает интерметаллид Nd₂Fe₁₄B и его гидриды интересными и важными объектами для исследования.

Еще одной привлекательной системой для использования в качестве постоянных магнитов являются интерметаллические соединения R₂Fei₇, обладающие кристаллической решеткой с выделенным направлением и высокими значениями магнитного момента благодаря значительному содержанию железа. Однако большинство соединений этого ряда, за исключением соединений с Ce и Lu, имеет при комнатной температуре анизотропию типа «легкая плоскость» и недостаточно высокие температуры Кюри. Магнитные свойства соединений могут быть существенно изменены введением различных примесей внедрения или замещения. Такое замещение может привести к улучшению магнитных свойств соединений R₂Fe₁₇ с точки зрения применения их в качестве магнитотвердых материалов. В связи с этим, представляет интерес исследовать влияние легирования сплавов R₂Fe₁₇ другими металлами, в частности V, на их магнитные свойства.

В последние годы внимание исследователей привлекают соединения, обладающие естественной слоистой структурой, в которой магнитные атомы каждого сорта образуют отдельные слои, чередующиеся вдоль одной из кристаллографических осей. Отличительной особенностью слоистых магнетиков является наличие большого количества различных по величине и знаку межслойных и внутрислойных обменных взаимодействий, что приводит к возникновению разнообразных магнитных структур и магнитных фазовых переходов в этих соединениях. Одним из представителей слоистых магнетиков является соединение TbMn₆Sn₆. В этом соединении с увеличением температуры происходит спонтанный спин-переориентационный фазовый переход типа «легкая ось - легкая плоскость», который наблюдается в интервале температур вблизи комнатной температуры. В магнитном поле, приложенном вдоль трудного направления в кристалле TbMn₆Sn₆, наблюдаются индуцированные магнитным полем спин-переориентационные фазовые переходы первого рода. Одним из методов изучения влияния обменных взаимодействий и магнитной анизотропии на магнитные свойства соединений и магнитные фазовые переходы, наблюдаемые в них, является замещение атомов одной из магнитных подрешеток на немагнитные или на ионы, не обладающие орбитальным магнитным моментом. В частности, такое замещение реализуется в системах Tb₁^R_jMn₆Sn₆ (R = Y, Gd, Tb).

Цель данной работы заключалась в выяснении механизмов реализации спонтанных и индуцированных магнитным полем магнитных фазовых переходов в многокомпонентных интерметаллических соединениях переходных 4/- и 3о-металлов. В качестве объектов исследования были выбраны три группы соединений: на основе R₂Fe₁₇, R₂Fe₁₄B и RMn₆Sn₆. Все соединения имеют кристаллические решетки одноосной симметрии. В этих соединениях сильные обменные взаимодействия в 3 d- подрешетке обеспечивают высокие значения температур магнитного упорядочения, а редкоземельные металлы ответственны за высокую магнитную анизотропию.

Задачи, решаемые в процессе выполнения данной работы, состояли в разработке методов определения констант магнитной анизотропии из кривой намагничивания, синтезе соединений, экспериментальном исследовании магнитной анизотропии, процессов намагничивания первого рода и магнитных фазовых переходов в перечисленных выше многокомпонентных редкоземельных интерметаллидах.

Новые научные результаты и положения, выносимые на защиту:

1. Синтезированы новые соединения Y₂(Feb_jV_j)₁₇, Sm₂(Feb_jV_j)₁₇ и Er₂(Fe₁^V_j)₁₇. Определена предельная растворимость V в этих соединениях. Обнаружен рост

температур Кюри с увеличением концентрации V в исследованных соединениях. Определены концентрационные и температурные зависимости констант магнитокристаллической анизотропии исследованных соединений. Установлены причины индуцированного магнитным полем фазового перехода 1-го рода в Er₂Fei₇.

1. Определены температурные зависимости констант магнитокристаллической анизотропии гидрированного монокристалла Nd₂Fe₁₄BH₄, позволяющие описать все особенности экспериментальных кривых намагничивания, включая магнитную структуру типа «конус осей легкого намагничивания» при низких температурах и индуцированные магнитным полем фазовые переходы 1 -го рода. Обнаружено, что при гидрировании Nd₂Fe₁₄B наблюдается уменьшение констант анизотропии по абсолютной величине и возрастание отношения эффективных констант 4-го и 6-го порядка к константе 2-го порядка. Определены температурные зависимости коэффициентов магнитокристаллической анизотропии монокристалла Nd₂Fe₁₄B и его гидрида Nd₂Fe₁₄BH₄.

2. Синтезированы новые соединения Tbb_xR_xMn₆Sn₆ (R = Y, Gd). Построены концентрационные магнитные фазовые диаграммы этих соединений. Определены вклады редкоземельной и марганцевой подрешеток в магнитную анизотропию соединений. Установлены механизмы индуцированных магнитным полем магнитных фазовых переходов 1-го рода.

3. Обнаружена отрицательная объемная магнитострикция вследствие конкуренции ферромагнитных и антиферромагнитных обменных взаимодействий в соединениях Tbb_xY_xMn₆Sn₆. Экспериментально подтверждено, что основной вклад в магнитострикцию соединения YMn₆Sn₆ вносит изменение обменной энергии при смене взаимной ориентации магнитных моментов марганца.

4. Определена критическая концентрация x ~ 0.95, при которой в соединениях Tbb_xY_xMn₆Sn₆ наблюдается концентрационный фазовый переход антиферромагнетик- ферримагнетик. Установлены механизмы возникновения скачков намагниченности, наблюдаемых при приложении магнитного поля вдоль трудного направления в Tb₁, _xY_xMn₆Sn₆ для соединений с различными значениями x.

5. Обнаружен положительный вклад в термическое расширение решетки, вызванный ферромагнитным упорядочением магнитных моментов в слоях в соединении YMn₆Sn₆. Обнаружен отрицательный магнитообъемный вклад в термическое расширение решетки в области температур при которых наблюдается анизотропия типа «легкая плоскость» в соединении TbMn₆Sn₆.

6. Обнаружено усиление ферромагнитных обменных взаимодействий и стабилизация коллинеарной магнитной структуры при приложении внешнего гидростатического давления в соединениях Tbb_xY_xMn₆Sn₆ с малыми концентрациями x, в отличие от типичного для интерметаллидов усиления антиферромагнитных взаимодействий при уменьшении межатомных расстояний.

Научная и практическая значимость работы:

6. 1. Разработанная методика расчета констант магнитокристаллической анизотропии позволяет с высокой точностью определять константы магнитокристаллической анизотропии и может быть полезна как для исследования фундаментальных магнитных свойств различных веществ, так и для создания новых магнитных материалов.

   2. Построенные концентрационные магнитные фазовые диаграммы и температурные зависимости констант анизотропии редкоземельных интерметаллических соединений R₂(Fe₅V)I₇ и RMn₆Sn₆ позволяют выбирать новые сплавы с заданными свойствами.

   3. Изученное в данной работе влияние гидрирования на магнитную анизотропию и магнитные фазовые переходы монокристалла Nd₂Fe_wB может быть использовано для оптимизации технологий изготовления высокоэнергоемких постоянных магнитов.

   4. Проведенный анализ причин возникновения индуцированных магнитным полем фазовых переходов первого рода в соединениях R₂(Fe₅V)_j7 и RMn₆Sn^ позволил проанализировать применимость различных теоретических моделей магнитных фазовых переходов для исследованных в данной работе материалов.

   Личный вклад автора: Автор принимал непосредственное участие в постановке задач, синтезе соединений Er₂(Fe₁^V_j)₁₇ и Tbb_jRMn₆Sn₆ (R = Gd, Y), подготовке и аттестации образцов для измерений, проведении магнитных измерений, обработке и обсуждении экспериментальных результатов, написании статей. Соединения Y₂(Fe₁-^V_j)₁₇ и Sm₂(Fe^_jV_j)₁₇ были выплавлены Е.В. Белозеровым. Монокристалл Nd₂Fe₁₄B был любезно предоставлен профессором Д. Чао. Гидрирование монокристалла Nd₂Fe₁₄B и измерение его магнитных свойств в полях до 40 Т было произведено Н.В. Мушниковым. Рентгеновские измерения были выполнены В.С. Гавико, Л. А. Сташковой и Г.В. Ивановой в центре коллективного пользования ИФМ УрО РАН.

   Измерения магнитных свойств ряда соединений автор проводил совместно с Е.Г. Герасимовым. Разработка теоретических моделей и написание компьютерных программ для описания процессов намагничивания и определения констант магнитной анизотропии в соединениях R₂(Feb_jV_j)₁₇ (R = Sm, Er, Y), TbbR_jMn₆Sn₆ (R = Gd, Y), Nd₂Fe₁₄B и Nd₂Fe₁₄BH₄ проводились автором совместно с Е.В. Розенфельдом. Соискатель принимал самое активное участие в обсуждении со всеми соавторами полученных результатов и написании всех статей, опубликованных по материалам данной диссертации.

   Соответствие паспорту специальности: Содержание диссертации соответствует формуле паспорта специальности 01.04.11 - физика магнитных явлений: «область науки, занимающаяся изучением: взаимодействий веществ и их структурных элементов (атомов, их ядер, молекул, ионов, электронов), обладающих магнитным моментом, между собой или с внешними магнитными полями; явлений, обусловленных этими взаимодействиями, а также разработкой материалов с заданными магнитными свойствами, приборов и устройств, базирующихся на использовании магнитных материалов и явлений» и областям исследований: п.2, п.3, п.5.

   Степень достоверности результатов проведенных исследований:

   Достоверность полученных в работе данных обеспечивается их воспроизводимостью, хорошим совпадением физических характеристик полученных различными методами и на различных установках. А так же совпадением результатов измерений и расчетов с данными полученными другими исследователями.

   Апробация работы: Результаты исследований, изложенные в диссертационной работе, представлены на ряде конференций и семинаров:

   Московском международном симпозиуме по магнетизму MISM (г. Москва 2008, 2011); ХХ-ой и XXI-ой международных школах-семинарах «Новые магнитные материалы микроэлектроники» НМММ-20 и НМММ-21 (г. Москва 2006, 2009); Х-ом

   Международном семинаре «Дислокационная структура и механические свойства металлов и сплавов» (Екатеринбург-Новоуральск 2005); Байкальской международной конференции «Магнитные материалы» (г. Иркутск 2003, 2012); VIII-ом Международном семинаре «Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах» (г. Махачкала 2007); 34-ом совещании по физике низких температур (НТ-34) (п. Лоо 2006); 9-ом Международном симпозиуме «Упорядочение в металлах и сплавах» (п. Лоо, 2006); VI-ом Молодежном семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества, (Екатеринбург 2005).

   Основные исследования по теме диссертации выполнены в лаборатории ферромагнитных сплавов Института физики металлов УрО РАН в рамках комплексной бюджетной темы «Магнетизм, спинтроника и технология создания новых объёмных и низкоразмерных, гетерофазных и наноструктурированных материалов и наносистем» (шифр «Спин», № гос. регистрации 01201064333). Настоящая работа выполнена при поддержке: Программы Президиума РАН, проекты УрО РАН 12-П-23-2005, 12-П-2-1050, 09-П-2-1035, Программы тематических отделений, проект УрО РАН 12-Т-2-1012, Гранта фонда Фонда "Лучшие аспиранты РАН" за 2008 год, Гранта РФФИ № 04-02-96066-р2004урал_а «Исследование механизма формирования анизотропии магнитных свойств высококоэрцитивных порошков, получаемых из сплавов Nd-Fe-B методом водородной обработки», Гранта РФФИ №06-02-16951-а «Магнитные фазовые переходы и магнетосопротивление в редкоземельных интерметаллидах со слоистой кристаллической структурой». Гранта РФФИ 09-02-00272-а «Обменные взаимодействия, магнитная анизотропия и магнетосопротивление в интерметаллических соединениях с естественной слоистой кристаллической структурой», РФФИ 10-02-96019-р_урал_а «Материалы на основе интерметаллических соединений для магнитных рефрижераторов»,РФФИ 12-02- 00864-а «Магнитные фазовые переходы в интерметаллических соединениях на основе Mn и Fe с конкурирующими обменными взаимодействиями».

   По теме диссертации опубликовано 6 научных статей входящих в Перечень ВАК, и 9 статей в материалах конференций (основные приведены в конце автореферата).

   Структура диссертации: Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объем составляет 209 страниц, 72 рисунка, 10 таблиц, 122 библиографических ссылки.

   Похожие диссертации на Магнитная анизотропия и магнитные фазовые переходы в интерметаллидах типа R2Fe17,Nd2Fe14BHx и RMn6Sn6

   

   Спин-переориентационные переходы и магнитная анизотропия в редкоземельных соединениях с тетрагональной кристаллической структурой R_2 (Fe, Co)_14 B и R(Fe, Co)_11 Ti Панкратов Николай Юрьевич

   

   Магнитная анизотропия и фазовые переходы в монокристаллах R2 Fe14-x Co_x B(R-Y, Nd) Рыбак Александр Александрович

   

   Влияние легких атомов внедрения (водорода и азота) на магнитную анизотропию и спин - переориентационные фазовые переходы в интерметаллических соединениях 4f- и 3d-переходных металловТерёшина Ирина Семёновна

   

   Анизотропия магнитокалорического эффекта монокристаллов соединений 3d- и 4f-металлов в области магнитных фазовых переходовКошкидько, Юрий Сергеевич

   

   Магнитная доменная структура и ориентационные фазовые переходы в интерметаллидах R-Fe-Co-Ti со структурой ThMn12Лебедева Людмила Викторовна

   

   Особенности магнитной структуры и магнитные свойства редкоземельных интерметаллидов типа R#33#1TГубкин Андрей Федорович

   

   Влияние периодических и нерегулярных локальных кристаллических полей на магнитные свойства 4f-3d интерметаллидов со структурой типа CaCu5Куликов Юрий Александрович

   Квантовые фазовые переходы и низкотемпературные свойства магнетиков с целым спином и большой одноионной анизотропией типа "легкая плоскость"Сизанов, Алексей Владимирович

   Автоблокировка дислокаций в интерметаллидах типа Ni3AlПлотников, Алексей Викторович

   

   Классификация точечных дефектов и их комплексов в двумерной гексагональной кристаллической решетке интерметаллида типа Ni3 AlДудник Евгения Александровна