Содержание к диссертации
Введение
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ II
1.1. Диаграмма состояния систем R-И и кристал лические структуры соединений типаКМз II
1.1.1. Бинарные системы R-Co п
1.1.2. Квазибинарные твердые растворы R(LQ1_XIMX)5 15
1.2. Магнитные структуры 16
1.3. Обменные взаимодействия 24
1.4. Шгнитная кристаллическая анизотропия соединений RCO5 27
1.5. Спин-переориентационные переходы и анизотропия спонтанной намагниченности 33
1.6. Заключение по обзору литературы. Постановка
задачи исследования 43
2. ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ 46
2.1. Образцы 46
2.2. Описание экспериментальной установки 48
2.3. Методика рентгеновских исследований 58
2.4. Методика магнитных измерений 59
2.5. Определение кристаллической структуры 59
2.6. Определение магнитной структуры 63
2.7. Измерение интенсивности некогерентного рассеяния нейтронов 65
2.8. Оценка точности определяемых в работе физических величин 66
3. КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА И ОСНОВНОЕ МАГНИТНОЕ
СОСТОЯНИЕ СОЕДИНЕНИЙ ТЬ(Со,_х№х)5 68
3.1. Результаты эксперимента 68
3.1.1. Кристаллическая структура 68
3.1.2. Магнитная структура соединений I blCO^T-Nl-Js
при 4,2 К 78
3.1.3. Концентрационные зависимости магнитных
моментов 85
3.2. Обсуждение результатов эксперимента 88
3.2.1. Кристаллическая структура 88
3.2.2. Магнитные моменты в соединенияхTbJCo^Nlj^ ^
3.3. Заключение
4. ЭФФЕКТЫ МАГНИТОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ АНИЗОТРОПИИ И
ОБМЕНА В СОЕДИНЕНИЯХ 108
4.1. Результаты эксперимента 109
4.1.1. Магнитная структура сплава ТЫ>05,1 и температурные зависимости магнитных моментов 109
4.1.2. Концентрационные зависимости ориентации и величин магнитных моментов К - и ЬО -ионов в соединениях І Ц^У^Сс^ при 4,2 К 118
4.2. Обсуждение экспериментальных результатов 130
4.2.1. Магнитная структура 130
4.2.2. Поведение R -подрешетки 133
4.2.3. Магнитная анизотропия СО -ионов 141
4.3. Заключение 148
5. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА СОЕДИНЕНИЙ ТЬ В ШИРОКОМ ИНТЕРВАЛЕ ТЕМПЕРАТУР 150
5.1. Результаты эксперимента 150
5.1.1. Магнитные измерения 150
5.1.2. Магнитная структура 152
5.1.3. Температурные зависимости ориентации и величин намагниченностей 1ч -, С -, Q -подрешеток 153
5.2. Обсуждение экспериментальных результатов 155
5.2.1. Спиновая переориентация в соединениях Tb(Co1.xNix)5 та
5.2.2. Определение параметра межподрешеточного обмена и константы анизотропии К -подре-
шетки в сплавах Tb(C01.xNLx)5 162
5.2.3. Точка Кюри 164
5.2.4. Магнитная фазовая диаграмма 166
5.3. Заключение 168
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 170
Благодарности 173
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 174
- Бинарные системы R-Co
- Описание экспериментальной установки
- Кристаллическая структура
- Магнитная структура сплава ТЫ>05,1 и температурные зависимости магнитных моментов
- Температурные зависимости ориентации и величин намагниченностей 1ч -, С -, Q -подрешеток
Бинарные системы R-Co
В полном соответствии с основными правилами образования сплавов системы R Co характеризуются низкой взаимной растворимостью компонентов /l-З/. К настоящему времени построены полные диаграммы состояния почти для всех РЗМ (за исключением тербия, тулия, скандия) с кобальтом /3-9/. Они достаточно сложны и включают от трех (в случае иттербия) до восьми интерметаллических соединений. На рис. ІЛ приведена в качестве примера фазовая диаграмма Dy-Co . В интервале концентраций между соединениями RCo2 и К2 /017 фазовые диаграммы кобальта с другими РЗМ подобны приведенной. В этом же интервале имеются интересующие нас соединения типа
Они образуются по перитектическим реакциям и устойчивы при высоких температурах. Ниже определенной температуры происходит, как установлено в /іО, її/, эвтектоидный распад этих соединений на фазы R2-CO7 и R2UO17 Быстрым охлаждением сплава, удается в значительной степени избежать процесса распада, но получить однофазное состояние для большинства не удается /б/.
Метастабильные при низких температурах соединения рассматриваемого типа с тяжелыми РЗМ (GrOL ,ТЬ , DV , ... , имеют состав несколько отличный от стехиометрического 1:5 в богатую кобальтом сторону. Например, в системах с Tb ,D\/ , Но кристаллизуются твердые растворы TbCOsj У 0 2 » пОС05,5 / /соответственно.
Соединения обладают гексагональной структурой типа СаСіі5/із, 14/. Их кристаллическая симметрия описывается пространственной группой Рб/rniHITl . В элементарной ячейке содержится одна формульная единица. Как видно из рис. 1.2, структура соединений RCO5 характеризуется чередованием плоскостей, занятых только Со -ионами с плоскостями, заселенными R- и Со -ионами. Редкоземельные ионы находятся в позиции KCL) с координатами (О, О, 0). Кобальтовые ионы занимают неэквивалентные позиции 2(С ) (координаты + (1/3, 2/3, 0)) и 3(Q ) (координаты (1/2, 0, 1/2); (О, 1/2, 1/2); (1/2, 1/2, 1/2)), отличающиеся кристаллическим окружением. Окружение СО -иона в позиции 2(С ) имеет гексагональную симметрию (точечная группа ЗК ), а в позиции 3(0)- ромбическую (точечная группа l h ) /іб/.
Сплавы, обогащенные кобальтом, по сравнению со стехиометрией 1:5, имеют структуру, которая несколько отличается от описанной выше. В ней избыточные Со -атомы попарно случайным образом замещают часть R -ионов, а ближайшие к замещенному узлу 0 -ионы в позициях 2(С ) смещаются в его сторону /9, 15-18/. Эта структура классифицирована в /9/ как неупорядоченная структура типа ТbCUjr Она как и структура типа С& СII5 относится к пространственной группе P6/mmm /15/.
Описание экспериментальной установки
Нейтронографические исследования проведены на дифрактометрах Института физики металлов, смонтированных в разное время на горизонтальном экспериментальном канале реактора ИВВ-2.
Общие принципы аппаратурного осуществления структурных и ма-гнитоструктурных нейтронографических исследований описаны в монографиях/100, 102, 103/. Кроме того, экспериментальная установка, на которой были получены нами первые результаты, описана в работе/104/. Поэтому, главным образом, рассмотрим конструктивные особенности экспериментальной установки, на которой были проведены заключительные нейтронографические измерения.
Для монохроматизации нейтронов используется двухкристальный монохроматор. Применение такого монохроматора приводит, в целом, к улучшению параметров нейтроногорафической установки, что в соот 49 ветствии с работой /l05/ проявляется в следующем:
1) в уменьшении экспериментального разброса нейтронов по длинам волн в пучке в \2 раз;
2) в снижении вклада нейтронов высших порядков Л/М ;
3) в смещении максимума спектра дважды отраженных нейтронов в сторону больших длин волн по сравнению с максимумом белого спектра. Это дает возможность увеличить длину волны установки.
Монохроматор состоит из двух монокристаллов меди (рис. 2.1), отъюстированных на отражение по Бреггу. Их внешняя поверхность составляет угол 10 с отражающей плоскостью (III), что обеспечивает ванкухеновское увеличение плотности отраженного потока нейтронов. Перех монохроматором їв секции шибера) между кристаллами и после монохроматора имеются коллиматоры. Их угловые размеры сравнительно велики ( оі-і =3,8, сі2 = 2,9, л-з =1 9), поэтому они играют роль ограничителей нейтронного пучка и не определяют его угловую расходимость. В этом случае разрешение нейтронного ди-фрактометра определяется, как известно, мозаичностью кристаллов ( 12 ) монохроматора и расстоянием между ними (0,7 м). Удобно /100/ охарактеризовать разрешение дифрактометра зависимостью ширины рефлекса на половине его высоты Q от параметра6=ід0/Іо0м , где 0 и 0М - углы рассеяния образца и монохроматора. Кривая зависимости Q = j(G) для нашей установки, имеющей длину волны А = 0,129 нм приведена на рис. 2.2. Видно, что в интервале значений 0,5 е 2 уширение рефлексов с ростом Є невелико. Для сравнения на этом же рисунке приведена кривая зависимости Q = (6) для нашей первой установки, имеющей однокристальный ( РЬ ) монохроматор и Л 0,107 нм.
class4 ЭФФЕКТЫ МАГНИТОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ АНИЗОТРОПИИ И
ОБМЕНА В СОЕДИНЕНИЯХ class4
Магнитная структура сплава ТЫ>05,1 и температурные зависимости магнитных моментов
Для установления магнитной структуры сплава TDLOS І ВО всей области магнитного упорядочения были получены /115/ нейтро-нограммы этого сплава в интервале температур от 4,2 К до 1050 К. Некоторые из нейтронограмм показаны на рис. 4.1. На всех нейтроно-граммах сплава 5 t , полученных при Т" Тс , индексы магнитных и ядерных рефлексов совпадают. Следовательно, волновой вектор магнитной структуры К = 0 во всей магнитоупорядоченной области.
При определении ориентации и модулей эффективных магнитных моментов R и LO -ионов в качестве пробных структур брались /119, 137/ последовательно все возможные варианты смешивания магнитных мод из табл. 3.5. Для кавдого варианта магнитной структуры проводилась процедура минимизации фактора достоверности N-J по модулям эффективных магнитных моментов ионов, занимающих позиции К CI), 2(C),и 3(Q ). Хорошее согласие между экспериментально наблюдаемыми и расчетными интенсивностями (см. табл. 4.1.) достигается, если принять, что при данной температуре реализуется одна из нижеперечисленных моделей магнитной структуры.
В области температур 4,2 - 390 К магнитная структура описывается модами неприводимых представлений 1д и tg по типу смешивания, представленного вариантом № 4 в табл. 3.6. Это соответствует антипараллельной ориентации моментов /Ч относительно
Mt и М , причем все моменты лежат в базисной плоскости. При всех температурах выше 425 К магнитная структура описывается модами неприводимого представления Х по типу смешивания, как в варианте № 2 из табл. 3.6. Такое описание соответствует ферримагнитному упорядочению магнитных моментов «4-й Со --ионов вдоль оси С . Для объяснения магнитной структуры при 400 и 407 К требуется суперпозиция представлений to, , tg и 1 по типу смешивания аналогичному варианту № Ь из табл. 3.6. При этих температурах реализуется, как и в предыдущих случаях, ферри-магнитная структура, но моменты R- и L0 -ионов имеют составляющие и на базисную плоскость, и на ось С . Следовательно, температуры 400 и 407 К относятся к интервалу, в котором происходит спиновая переориентация.
Для определения температурных границ спинпереориентационного интервала снимались /85, 115, 13Ь/ зависимости пиковой интенсивности рефлексов (100), (001), (101) от температуры. Магнитные составляющие этих рефлексов сильно зависят (см. (2.16.) от ориентации магнитных моментов относительно кристаллографических осей. Например, магнитный пик (001) должен полностью исчезнуть, если спины R и Со -ионов повернутся от базисной плоскости к оси С . Как видно из рис. 4.2, это действительно имеет место. В результате измерений установлено, что температуры начала и конца спиновой переориентации в ТЬСо 5 1 равны (393+3) К и (420+3) К соответственно. Температурная зависимость угла 0 между направлением намагниченности R -подрешетки и осью С показана на рис. 4.3. Не исключено, что в области спиновой переориентации магнитные моменты R" и СО -ионов неколлинеарны друг другу. Но величина неколлинеарности 9( , как показал анализ нейтронограмм, мала - не превосходит 10, что находится в пределах чувствительности эксперимента /И9/.
Температурные зависимости ориентации и величин намагниченностей 1ч -, С -, Q -подрешеток
На рис. 5.2. показаны температурные зависимости угла 9 между осью С и направлением намагниченности R -подрешетки в сплавах с X = 0,2; 0,4. В пределах достигнутой нами точности (+ 10) определения ориентации NR , Ис и ftg температурные зависимости угла между осью С и направлением намагниченности С -( Q )-подрешетки в этих сплавах совпадают с приведенными, т.е. На рис. 5.2 представлена также зависимость намагниченности R -подрешетки в соединениях ТЬ(СОд.хМіх)5 от температуры.
Видно, что зависимости Лц(Т) для соединений с X = 0,2; 0,4 имеют аномалии в области температур,где бц изменяется от 90 до 0, Аномалии подобны наблюдаемым в TbC0s,i и заключаются в резком уменьшении Мц с ростом температуры.
Кривые М СТ) для составов с X = 0,6; 0,8; 1,0, в отличие от рассмотренных, не содержат каких-либо особенностей.
На рис. 5.3. показана температурная зависимость намагниченности С -подрешетки в соединениях ТЬіСо д.Міхіб Видш» что величина Мс в соединениях с X = 0,2; 0,4 резко увеличивается в области температур, где происходит поворот /Чс от базисной плоскости к гексагональной оси.
Зависимости Ч Л U длЯ сплавов с X = 0,6; 0,8, в которых нет спиновой переориентации, являются монотонными функциями.
Температурная зависимость намагниченности ф -подрешетки в соединениях с X = 0,2 - 0,8 приведена на рис. 5.3. Как видно из рисунка, во всех соединениях величина Ч практически монотонно уменьшается с ростом Т . Отметим, что несмотря на многочисленные измерения нам не удалось однозначно ответить на вопрос о существовании скачка намагниченности в О -подрешетке в области спиновой переориентации. Это позволяет думать, что если скачок Дрд и существует , то он сравнительно (со скачком Д № с ) мал..
