Обменные взаимодействия и фазовые переходы в соединениях RCo3 (R=Ho, Tb, Y) Караман, Ираида Дмитриевна

Введение к работе

Актуальность теш:. Большое внимание в последние годы уделяется изучешга соединений редкоземельных 4 { -переходных элементов (в дальнейшем Я или РЗ) с Зої-мзталлами группы железа. Эти соеданения обладают целым рядом своеобразных свойств и их изучение несомненно способствует дальнейшему развитию представлений о магнитной природо твердих тел. Материалы на основе R-cL-cectom находят широкое применение ь различных областях промышленности и техника.

Для установления обгщх закономерностей форгяровашш магнитных свойств (4^ - 3d) иитеркотаялядоа необходимо сис-те?;лтическоа исследование соединений с разной стэгкокетркей и сопоставление полученных результатов.

Интерметаллическко соединения с Со, обладакгцкэ огромно* магнитной кристаллической анззотріпией болыга других применяется в практике. Из ряда &-Со наиболее полно исследованы соединения со стелгометриаВ ^Сс^. , в которнх атеш (I занимают одну, а атома Со две различила позиции. С увеличение -л концентрации редкоземельных конов происходит уоясгпениэ крио-талличоской структуры и появление новых неэквивалентных позиций.

При анализе обмена важной характеристикой является рао-отояние между взаимодействующими атомами. По расстояниям кея-ду й. -ионами соединения системы Я. - Со можно разделить на 2 группы. В первую входят наиболее полно исследованные соединения со стехиометрией 2:17 и 1:5, в которых /-иопы разделены атомами Со. Расстояния между ними (0,4 г 0,5 10 м) существенно превосходят удвоенный радігус трехвалентного -иона (2т « 0,316 Юм). Обменные взаимодействия ке^ду Я -ионами на таких расстояниях пренебрежимо малы*-

В соединениях, входящих во вторую группу (стехиометрия 2:7, 1:3, 1:2) имеются 2 типа Й -ионов: Q.+ и ₂* Ионы /Э, нахо~ дятся друг от друга на таких же практически расстояниях, как ft. -ионы в соединениях 1:5 и 2:17 и можно ожидать, что взаимодействие (Zf-Яі также малы.

Расстояния между ионами Й_г такие же, как расстояіпгя между ионами в чистих редкоземельных металлах, в которнх, судя по высоким Т_к (T_KGd^ 30 К), обменные взаимодействия ып-

pax к-ft довольно велики. Вследствие этого, упорядочение магнитных моментов атомов (2_г может осуществляться не только за счет обменного взаимодействия й -ионов с Со - годрешеткой (как в соединениях типа 1:5 и 2:17), но и благодаря обмену между самими ионами этого типа. Выяснение вопроса о взаимодействии _г-6_а чрезвычайно важно для понимания магнитного поведения второй группы оединений, однако до сих пор этот вопрос не обсуждался и даже не ставился. Взаимодействиями R - R. просто пренебрегали.

Наиболее удобными для исследования этого общего для всей второй группы вопроса являются соединения со стехиометрией 1:3. Соединения типа 2:7 намного сложнее, а 1:2 содержат только ионы типа R_z . В соединениях Й.Со_л , кроме того, имеются благоприятные условия для изучения роли симметрии и состава окружения иоков на формирование их свойств.

Цель и задачи работы. Провести подробное нейтронографи-чеокое исследование соединений f/oCojH ПСо_л в широком интервале температур, включающем температуру Кюрі: для изучения магнитного состояния этих соединений.

Определить магнитные моменты редкоземельных и кобальтовых атомов, построить температурную зависимость намагниченности подреше'ток, оценить парпетры обмена ч анизотропии в соединении WoCojH ТВСо* Сопоставить в этих соединениях свойства R. -ионов в разных позициях.

Исследовать теплоемкость соединения HoCcj в интервале температур ,4,2-300 К без приложение магшітного ^оля. Провести анализ обменных взаимодействий. В рамках метода молекулярного поля по регулярной составляющей магнитного вклада в теплоемкость, оценить величину обменного интеграла \ti_0i-Ho_t По виду особенностей на температурной кривой теплоемкости ( Ср ) соединения HoCoj сделать вывод о характере фазовых переходов, связанных с переориентацией магнитных моментов (СОП плоскость - ось).

Научал новизна. Впервые проведено подробное нейтроно-гра^ическое исследование интерметаллических соединений HoCo_s и ІбСод в широком интервале температур, включающем температуру Кюри. Провидена теоретико-групповая аттестация их магнитной структуры. Впервые на примере соединений НоСод и У% исследована теплоемкость соединений типа о, .

Обнаружено различие в поведении намагниченисстей неэквивалентных редкоземельных подрешеток в Woto_b . Дана интерпретация поведения Jl_Ho на основе имеющейся в литературе модели, использующей представление о значительном влиянии кристаллического поля на энергетический спектр рассматриваемого Я -иона, что приводит к зависимости намагниченности -под-решетки от ориентации редкоземельного магнитного момента в кристалле.

Показано, что интегралы межподрзшетсчного обмена в соединениях НоСо₃ и ТбСо₃ и соединениях /?%. а"теми не редкоземельными элементами имеют близкие значения.

На основе анализа температурной зависимости 0.ц_о и регу-. лярной части магаитного вклада вСр соединения поСо^ сделан-вывод о существовании в этом соединении (и, очевидно, в других соединениях типа /?Coj) сильного (сравнимого о межподре-шеточннм) обмена мэвду Q -ионами, находящимися в позиции 6(С ).

На кривой Ср(Т) соединения ИоСо. вперше обнаружены три ярко Еыраженных особенности и по их виду установлен характер магнитных спин-ориентациотшх переходов.

Практическая и научная ценность. Полученные в работе сведения о соотношении величин обменных интегралов, характеризующих внутриподрешеточшй ( , -/?_ч и _а-Р_г ) и шяподреше-точный (-Со) обмен в соединениях RCo₃ необходимы для корректного описания температурной зависимости намагниченности неэквивалентных редкоземельных подрешеток в этих соединениях.

Установленные значения обменных интегралов могут біль использованы для анализа температурной зависимости констант анизотропии ^я ftg .

Выводы о сущесть%ванки в HcCoj и ТСо₃ значительного (сравнимого с межподрешеточнгч) обмена между R. -ионами,рас-положенными в ближайшем соседство, может быть распространен на соединения с другими , а также на соединения о другой стехиометрией (например, 11_гСо₄ ,, &Со_г ).

Установление характера фазовых иереходов в HaCo_t опоооб ствует углублению представлений о магнитной природ/! редкоземельных, интерметаллидов о конкурирующей магнитной криотатли-ческой анизотропией.

Показана высокая эффективность калориметрических методов в изучении магнитной природы соединений типа RCo₃

Полученные в работе основные магнитные характеристики соединений R-Co^R-Ho , Tfe, Y ) могут служить справочным материалом и имеют большое практическое значение для получения материалов с требуемыми физическими параметрами.

Автор защищает.

1. Результаты нейтронографического исследования магнитной и атомной стр'/ктуры соединений ИсСаи Т&Со, в интервале температур 4,2-700 К.

2. Вывод о том, что R. ионы в соединениях /?С*>₃(# і [\₀, Th ), находящиеся в позиции 6(С ) (являющиеся ближайшими соседями), вносят большой, сравнимый с обменом R-Со вклад в энергию обмена внутри редкоземельной подрешетки ( R'R.). Вывод о близости обменных интегралов Ifl-Co , в соединениях с одинаковыми , но с разной стехиометрией R,Cc₃k HCo{R=:Ho, ТЕ>). Рес'льтаты оценки параметров межподрешет очного (Я -С&) обмена в HoCcijW- Т&Со_л

3. Экспериментальное подтверждение на примере соединения И о Со,влияния магнитной кристаллической анизотропии на намагниченность подрешетки, составленной из редкоземельных ионов в позиции 3(ct-). Обнаружение эффекта анизотропии "емаг-ниченности этой подрешетки. Результаты оценки величин констант анизотропии K.tf₀ и /1^ , характеризующих энергию анизотропии неэквивалентных редкоземельных подрешеток в соединении HoCoj.

4. Результаты исследования теплоемкости соединений НоСо, и іСав интервале 4,2-300 К; определение коэффициентов Тц^о и /уг> ^а также температуры Дебоя Тр соединений ЦоЕо^іСЬ^ Вывод 6 характере магнитных фазовых переходов j соединении

HoCoj

5. Результаты анализа температурной зависимости магнит
ной составляющей теплоемкости соединения НоСо.и оценки вели
чины энергии обмена в паре Но^-НоАъ соединении НоСс^) из ка
лориметрических данных.

Апробация работы. .Основные результаты, изложенные в работе , докладывались и обсуждались на Всесоюзных созеоіаниях по использованию рассеяния нейтронов в исследованиях по фх?>:-

ке твердого тела (Ленинград-Гатчина, 1983; Рига-Юрма'іа,І985; Свердловск-Заречный, 1987, 1989), на Всесоюзних конференциях по физике магнитных явлений (Пермь, 1981; Тула, 1983; Ташкент, 1991), на Всесоюзном семинаре по магнетизму редкоземельных сплавов (Грозный, 1988) и-на ІУ Всесоюзном координационном совещании педвузов по физике магнитных явлений (Иркутск, 1936), симпозиуме по магнетизму редкоземельных соединений (Москва, МГУ, 1989). По материалам диссертации опубликовано 5 статей, тезисы на пяти Всесоюзных конференциях и на Международном симпозиуме по магнетизму интерметаллических соединений (Киото, Япония).

Структура диссертации. Диссертация состоит из "Введения'', четырех глав, "Общих выводов" и "Приложения". Работа изложена на 144 страницах, віслючая 20 таблиц, список цитируемой литературы, содержащей 96 наименований и 30 рисунков.