Магнитные свойства аморфных сплавов на основе тяжелых редкоземельных металлов Андреенко, Александр Степанович

Введение к работе

Актуальность проблемы

Магнитные материалы на основе редкоземельных металлов (РЗМ) играют важную роль в современной технике. Так, например, для изготовления постоянных магнитов с рекордными значениями магнитной

ЭНерГИИ ИСПОЛЬЗУЮТСЯ ИНТерметаЛЛИЧеСКИе СОеДИНеНИЯ RCog И R₂Fej₄B;

соединения R-Fe, обладапцие гигантской магнитострикцией, применяются в качестве актуаторов и в генераторах звуковых и ультразвуковых колебаний; редкоземельные ферриты, ортоферриты, аморфные сплавы находят свое применение в качестве сред для записи информации; аномально большие магнитокалорические эффекты в редкоземельных сплавах делают их перспективными для использования в качестве рабочих тел в магнитных холодильных машинах, которые являются альтернативой стандартным фреоновым холодильным установкам.

Наряду с практической значимостью, редкоземельные сплавы и соединения представляют значительный научный интерес. Разнообразные магнитные структуры, широкий спектр фазовых переходов, наличие конкурирупцих взаимодействий, наблюдаемых в редкоземельных сплавах и их соединениях, делают их незаменимыми модельными объектами для изучения фундаментальных основ магнитного упорядочения.

История развития учения о магнетизме редкоземельных сплавов и соединений была тесно связана с технологией очистки и разделения редких земель. Поэтому резкий рост объема информации о магнитных и других физических свойствах этих материалов относится к концу шестидесятых годов, когда была в основном решена проблема получения чистых РЗМ. Однако прошло еще около десяти лет, пока появились монокристаллические образцы, позволившие выйти на более высокий уровень экспериментальных исследований и развить современные теоретические представления о магнитной анизотропии, обменных ' взаимодействиях, магнитных структурах и фазовых переходах. В настоящее время физические свойства и возможности практического применения редкоземельных кристаллических сплавов и

соединений исследованы достаточно хорошо. Подробно изучены магнитные, магнитоупругие кинетические, резонансные, магнитооптические и др. свойства РЗМ, их сплавов и соединений. В 1972 году было положено начало исследованию нового класса магнитных материалов - аморфных сплавов на основе редкоземельных металлов с переходными металлами. Результаты исследования структурных и магнитных свойств редкоземельных сплавов с железом, полученных методом катодного распыления, были сообщены практически

ОДНОВреМеННО ДВУМЯ НауЧНЫМИ Группами В IBM И Naval Ordnance

Laboratory. С этого момента внимание многих исследователей сконцентрировалось на изучении этого класса магнитных соединений. Интерес к изучению этих- материалов диктовался тем, что отсутствие химического, кристаллографического и топологического порядков в этих сплавах приводит к возникновению флуктуации основных энергетических взаимодействий, определяющих магнитное упорядочение в аморфных магнетиках. В отличие от кристаллических соединений, для описания магнитных свойств которых применялись теоретические модели, опирающиеся на трансляционную инвариантность, изучение аморфных сплавов потребовало разработки новых теоретических концепций. Влияние поля ближайшего окружения на формирование энергетического спектра магнитного иона, выбор между различными механизмами обменных взаимодействий, а иногда и их совместный учет, определение знаков и величин обменных интегралов требовали детальной информации о структуре и свойствах ближайшего окружения.

В экспериментальном плане также возникли новые задачи, связанные с метастабильным характером существовании аморфной фазы, что потребовало развития специальной методики исследований. Долгое время не был решен даже вопрос о возможности получения образцов с воспроизводимыми физическими характеристиками, что обусловлено их оильной зависимостью от условий получения образцов. Только к началу 80-х годов магнитные свойства образцов, полученных в различных лабораториях, стали воспроизводиться. Наконец .сильная магнитная вязкость, температурный и полевой гистерезисы требовали от исследователей подробной записи магнитной истории образцов.

Первые же исследования показали, что аморфные редкоземельные сплавы обладают рядом уникальных магнитных свойств. В них были обнаружены магнитные цилиндрические домены, гигантская коэрцитивная сила при низких температурах, магнитные микродомены с

размерами в несколько ангстрем, аномальная зависимость температур магнитного упорядочения от величины спина редкоземельного иона.

Одно из наиболее существенных отличия аморфных редкоземельных сплавов от их кристаллических аналогов заключалось в том, что гигантская анизотропия редкоземельных атомов в силу статистического распределения окружения магнитного иона не приводила к возникновению макроскопической анизотропии. В то же время анизотропия определяла направление локальных осей легкого намагничивания. Конкуренция между локальной анизотропией и обменными взаимодействиями приводила к многообразию магнитных структур и фазовых переходов, наблюдаемых в аморфных сплавах. Экспериментальное определение роли локальной магнитной анизотропии и разработка новых теоретических моделей, адекватно описывающих ее влияние на магнитные параметры аморфных сплавов, до сих пор остается актуальной задачей для магнитологов.

Отличительной чертой аморфных сплавов является также возможность их получения в широкой области концентраций и большой выбор разнообразных легирующих добавок, что дает уникальную возможность плавного варьирования основных магнитных параметров. В кристаллических соединениях РЗМ с переходными металлами возможна получение лишь ограниченного числа стехиометрьческих соединений, которые к тому же отличаются типами кристаллографических решеток. Однако долгое время исследования аморфных сплавов проводились лишь для составов аналогичных кристаллическим стехисметрическим соединениям с целью сравнения их магнитных характеристик. Только с начала 80-х годов стали изучаться магнитные свойства систем аморфных сплавов в широкой области концентраций.

Приблизительно этим же временем можно датировать начало исследований аморфных сплавов на основе РЗМ в нашей стране. Однако большинство работ в этой области было выполнено на тонких аморфных пленках и носило, в значительной степени, прикладной характер. Интерес к ним был вызван тем, что в тонких пленках (толщиной "Ю^гА) некоторых сплавов РЗМ с со и Fe была обнаружена нормальная к плоскости пленки составляющая магнитного момента. Подходяще-я область температур упорядочения (на 50-I00K выше комнатных) позволила использовать эти сплавы в качестве среды для термомагнитной записи и считывания информации. Работа с тонкими пленками имеет свою специфику - слой, прилегающий к подложке, и

поверхностный слой пленки имеют магнитные структуры значительно отличающиеся от магнитной структуры массивного аморфного образца такого же состава. Их вклада в суммарную намагниченность тонкой пленки могут быть весьма велики, а их учет представляет чрезвычайно сложную задачу. Значительно достовернее данные о магнитных структурах полученные на массивных образцах толщиной в несколько десятков микрон. В этом случае , при условии соблюдения определенных технологических требований, пленку можно рассматривать как объемный трехмерный образец и не учитывать влияние поверхностного и прилегащего к подложке слоев на усредненные магнитные параметры сплава. Исследованию магнитных структур, фазовых переходов, магнитообьемных эффектов в массивных пленках РЗМ - переходный металл посвящена настоящая работа.

Цель работы.

При написании диссертации были поставлены следующие основные

ЦЄЛИ:

1. Провести исследования магнитных структур, фазовых
переходов, обменных взаимодействий в редкоземельных аморфных
сплавах с железом и кобальтом и построить теоретические модели,
адекватно описывающие магнитное состояние этих сплавов.

1. Установить влияние межатомных расстояний на фазовые переходы, магнитные структуры и обменные взаимодействия в аморфных сплавах редкоземельных металлов с железом и кобальтом в сравнении с близкими по содержанию компонентов кристаллическими соединениями.

2. Исследовать влияние одноосной наведенной магнитной анизотропии на-процессы намагничивания в аморфных сплавах тербий -кобальт.

Научная новизна работы.

В' результате проведенных автором комплексных исследований магнитных свойств редкоземельных сплавов аморфных и кристаллических соединений впервые:

I) проведено детальное исследование процессов намагничивания во всей области существования аморфного состояния в системах сплавов ть-со, ть-Fe, Dy-co, Er-Fe, определены температуры фазовых переходов и их магнитные структуры,-

комплексное исследование процессов намагничивания позволило

совместно с А.К.Звездиным и С.Н.Уточкиным построить модель для описания магнитного состояния аморфных магнетиков с двумя типами магнитных ионов, в основе которой лежит гипотеза о существовании в образце стохастической доменной структуры, а также представление о случайном кристаллическом поле, действущем на f-ионы;

- для ряда аморфных сплавов R-Fe и r-co установлено хорошее
согласие экспериментальных данных с результатами теоретического
моделирования, в котором предполагалось преобладание процессов
вращения векторов намагниченности доменов над процессами смещения
доменных границ;

-определена область применимости данной модели для описания процессов намагничивания и перемагничивания в аморфных сплавах РЗМ-ПМ;

2) проведены измерения температурных и полевых зависимостей магнитострикции аморфных сплавов TbFe₂ и Tb_xco_I(-jQ__x, установлено, что магнитострикция обусловлена взаимодействием анизотропной 4г-оболочки ионов редких земель с электростатическим полем ближайших соседей;

методом рентгеновской фотоэмиссионной спектроскопии исследованы электронные структуры системы аморфных сплавов ^тьх^Со100-х' ^{что позволшю} установить идентичность электронных структур аморфных сплавов с их кристаллическими аналогами;

исследовано влияние процессов кристаллизации на намагниченность аморфных сплавов ть-со и (ть.оу)со, показано, что процессы кристаллизации начинаются при температурах существенно более низких (на I00-I50K), чем температуры кристаллизации, определенные из данных по измерениям дифференциального термоанализа и электросопротивления;

3) совместно с Е.В.Синицыным построена модель, описывающая особенности процессов намагничивания и гистерезиса е аморфных магнетиках РЗМ-Со с наведенной одноосной магнитной анизотропией;

- исследовано влияние угловой зависимости среднего магнитного
момента в аморфных системах с наличием макроскопической
анизотропии на процессы вращения при намагничивании;

- проведен расчет распределения намагниченности и оценена
коэрцитивная сила смещения доменных границ в аморфных системах

РЗМ-СО;

обнаружена аномальная переориентация оси легкого

намагничивания в компенсационном сплаве ть₂іСо₇₉ в магнитной поле, приложенном вдоль оси трудного намагничивания;

4) проведены исследования влияния гидростатического давления на намагниченность и магнитную восприимчивость аморфных сплавов

R-Fe И R-Co И ИНТерМетаЛЛИЧеСКИХ СОеДИНеНИЙ R2F^eI7'

- установлено, что в сплавах и соединениях богатых железом
уменьшение атомного объема элементарной ячейки приводит к усилению
антиферромагнитных и уменьшению ферромагнитных взаимодействий в
подсистеме железа;

в интерметаллических соединениях ^2^Fel7- ^{и Er}2^FeI7 обнаружена неколлинеарная магнитная структура в подсистеме железа, индуцируемая внешним гидростатическим давлением;

показано,'что гидростатическое давление уменьшает область магнитного упорядочения в аморфных сплавах R-Fe - с большим содержанием железа и приводит к трансформации двух фазовых переходов парамагнетизм - сперимагнетизм/асперомагнетизм возвратное спиновое стекло в один фазовый переход парамагнетизм спиновое стекло, построены Р-Н и Р-Т фазовые диаграммы;

в рамках модели молекулярного поля рассчитана зависимость обменных интегралов, определяющих взаимодействие внутри магнитных подсистем и между ними от атомного объема;

рассчитаны объемная магнитострикция и измерен до-эффект для ряда аморфных сплавов и интерметаллических соединений R-Fe и r-co.

Практическую ценность работы составляют:

1. Систематические исследования процессов намагничивания, магнитных структур, фазовых переходов и процессов кристаллизации, позволившие расширить наши представления о природе магнитного упорядочения, роли локальной-и наведенной анизотропии, различных типов обменных взаимодействий в аморфных сплавах, что может быть использовано для прогнозирования основных магнитных параметров новых аморфных сплавов.

2. Полученные данные- о гигантской магнитострикции в аморфных сплавах, сильной зависимости намагниченности от внешнего гидростатического давления в аморфных сплавах и интерметаллических соединениях позволяют использовать эти материалы в качестве сёнсорчв и актуаторов различных типов, для создания магнитвакустических устройств нового поколения, управляемых

магнитным полем, и других технических устройствах.

3) Теоретические модели, адекватно описывающие магнитное
состояние аморфных сплавов РЗМ-ПМ, дают возможность
интерпретировать большое число экспериментальных данных по
исследованию магнетизма аморфных сплавов РЗМ-ПМ.

4) Исследования коэрцитивной силы и процессов намагничивания
в аморфных сплавах r-co с наведенной магнитной анизотропией и их
теоретическое описание позволили установить ряд факторов
необходимых для прогнозирования характеристик кривой технического
намагничивания в них.

5) Обнаружение аномальной переориентации оси легкого
намагничивания в компенсационном сплаве ть₂₁со₇₉ открывает
перспективу создания нового класса магнитных соединений с
осью легкого намагничивания управляемой внешним магнитным полем.

Результатыі выносимые на защиту:

I. Экспериментальные исследования процессов намагничивания и перемагничивания, идентификация магнитных структур и фазовых

переходов В аМОрфНЫХ СПЛаваХ R-Fe И R-Co;

модели, описывающие магнитное состояние, процессы намагничивания и перемагничивания в аморфных сплавах РЗМ-ПМ, экспериментальные результаты,- определяющие область их применения. 2. Данные по измерениям магнитострикции в аморфных сплавах TbFe₂ и ть-со и интерпретацию:полученных результатов;

исследование электронных -структур в системе аморфных сплавов ть-со методом рентгеновской фотоэмиссионной спектроскопии;

экспериментальное определение влияния процессов кристаллизации на магнитные свойства редкоземельных аморфных сплавов.

3. Исследования процессов намагничивания, коэрцитивной силы и особенностей вращения среднего магнитного момента в аморфных сплавах ть-со с наведенной магнитной анизотропией.

4. Результаты исследования влияния гидростатического давления на магнитные свойства редкоземельных аморфных сплавов и

ИНТерметаЛЛИЧеСКИХ СОеДИНеНИЙ R-Fe И R-Co;

экспериментальные данные по определению зависимости обменных интегралов от атомного объема элементарной ячейки в

аМОрфНЫХ СПЛаваХ R-Fe;

обнаружение индуцированных давлением неколлинеарных

СТРУКТУР В ИНТерМетаЛЛИЧеСКИХ СОеДИНеНИЯХ R2^Fej7!

- экспериментально обнаруженная трансформация под действием
гидростатического давления двух фазовых переходов парамагнетизм -
сперо/асперомагнетизм - обратимое спиновое стекло в переход
парамагнетизм - спиновое стекло в аморфных сплавах R-Fe, богатых

ЖЄЛЄЗОМі

экспериментальные данные по исследованию объемной магнитострикции и да- эффекта в аморфных сплавах R-Fe и

R-Co И ИНТерМетаЛЛИЧеСКИХ СОеДИНеНИЯХ RgFejy.

Апробация работы.

Основные результаты исследований, представленные в диссертации, докладывались на следующих конференциях, совещаниях и семинарах-.

Всесоюзные конференции по физике магнитных явлений ( Тула, 1983; Донецк, 1985; Калинин, 1988; Ташкент, 1991)

Всесоюзных семинарах по аморфному магнетизму (Красноярск, 1986,1988)

Совещании по сверхтонким взаимодействиям (Грозный, 1987)

- Семинаре - Физика магнетизма редкоземельных сплавов
(Грозный, 1988)

- Международной конференции "Редкоземельные металлы: развитие
и применение" (Пекин, 1985)

Европейской конференции по магнитным материалам и их применению (Сэлфорд, 1987)

3-й Всесоюзной конференции по проблемам исследования аморфных металлов (Москва, 1988)

Всесоюзном совещании по физике магнитных материалов (Астрахань, 1989)

- Всесоюзных школах-семинарах "Новые материалы микроэлектро-:
ники"(Ташкент, 1988; Новгород, 1990; Астрахань, 1992)

Всесоюзной конференции "Аморфные прецезионные сплавы" (Ростов-Великий, 1991)

межвузовских конференциях "Актуальные проблемы физики твердого тела, радиофизики и теплофизики" (Ашгабат, 1991,1993)

Международной конференции по магнетизму (Эдинбург, 1992)

Международной конференции по магнитоупругим взаимодействиям

( Кнпри, 1993)

- Ломоносовских чтениях (Москва, 1984)

6-м Всероссийском совещании вузов по физике магнитных материалов (Иркутск, 1992)

8-й международной конференции по быстроохлажденным и метастабильным материалам (Сендай, Япония, 1993).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 53 печатные работы. Основные результаты диссертации содержатся в 31 работе. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы. Диссертация содержит 252 страницы машинописного текста, включая 7 таблиц, 107 рисунков и список цитируемой литературы из 250 наименований.