Введение к работе
Актуальность темы. Интерметаллические соединения типа редкоземельный (R) металл - 3d (Т) металл остаются объектами интенсивных исследований уже около четырех десятилетий. К настоящему времени наиболее полно изучены соединения с малым содержанием R атомов, так как они имеют высокие температуры магнитного упорядочения, и нашли применение на практике. Высокая анизотропия R ионов в совокупности с высокой температурой Кюри, обусловленной обменным взаимодействием в подрешетке 3d металла, позволили использовать соединения RC05, R2C017, R2Fej4B в качестве основы для производства постоянных магнитов с рекордными характеристиками в области комнатных температур.
Бинарные редкоземельные соединения с кобальтом и никелем RnTm, обладающие большой концентрацией редкой земли (n:m > 1:2), были менее изучены. До недавнего времени считалось, что атомы 3d металла в таких интерметаллидах не несут магнитного момента и не играют существенной роли в формировании физических свойств при отношении n:m > 1:2 и n:m > 1:3 для R„Com и RnNim, соответственно [1-3]. Эти соединения обладают довольно низкими температурами магнитного упорядочения (как правило, ниже комнатной температуры). Уменьшение магнитного момента 3d атомов при увеличении содержания редкоземельного металла в R-T соединениях объясняли в модели переноса заряда постепенным заполнением 3d зоны электронами с внешних оболочек R атомов [1-3]. Однако исследования последних лет показали, что в семействе R-Ni магнитный момент на атомах никеля существует даже в эквиатомных составах RNi (n:m=l:l) и носит индуцированный характер [4]. В ряду соединений R-Co пограничное положение занимают фазы Лавеса RC02, которым было уделено достаточно много внимания [1]. Интерес к этим соединениям сохраняется до сих пор, и он обусловлен проявлениями неустойчивости магнитного состояния подсистемы коллективизированных 3d электронов Со. В соединениях LuCo2 и YC02 магнитный момент на атомах кобальта отсутствует, а в случае, если R ионы обладают собственным магнитным моментом, магнитный момент Со может в RCo2 достигать ~ 1 цв [1]. В таких соединениях большое влияние на физические свойства оказывают спиновые флуктуации [1].
В последние годы наблюдается возрастающий интерес к магнитотепловым свойствам и, в частности, к магнитокалорическому эффекту (МКЭ) в R-T соединениях. Этот интерес обусловлен
потенциальными возможностями применения редкоземельных интерметаллидов в качестве рабочих тел для магнитных рефрижераторов, работающих в различных температурных интервалах, включая комнатные температуры [5]. Путем выбора типа соединений и их состава предоставляется возможность в широких пределах варьировать рабочий интервал температур [5].
Для понимания механизмов, оказывающих влияние на величину МКЭ, необходимы детальные исследования магнитных и магнитотепловых свойств R-T интерметаллидов.
В настоящей работе проведены исследования магнитных свойств, теплоемкости и электросопротивления ряда соединений R-Ni с относительно большим содержанием редкоземельного металла (типа RNi2, RNi, R3NO, а также квазибинарных соединений типа (R,R')Co2 в области неустойчивости магнитного состояния 3d электронной подсистемы кобальта.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ-Урал 04-02-96060, гранта Швейцарского национального научного фонда № IB7420-110849 по программе SCOPES «Партнерство институтов» и программ Агентства по образованию РФ №2.1.1.6945 и РНП 2.1.1. 1682.
Основной целью работы являлось определение роли 3d металла в формировании физических свойств редкоземельных соединений с большим содержанием редкоземельного элемента.
Для достижения этой цели в данной работе ставились следующие задачи:
Синтез редкоземельных интерметаллических соединений (R,Y)Ni2 (R - Gd, Lu), RNi (R = Gd, La,Y), (Gd,Y)3Ni, (R,R')Co2 (R = Er, Ho, Dy, Tm; R'=Y, Tb, Ho).
Исследование особенностей теплоемкости и энтропии соединений (R,Y)Ni2, RNi, (Gd,Y)3Ni для выяснения роли 3d электронной подсистемы Ni в формировании магнитотепловых свойств.
Исследование особенностей магнитного состояния соединения Gd3Ni выше температуры упорядочения.
Исследование электрических и магнитотепловых свойств (R,R')Co2 в области нестабильности магнитного момента на атомах Со с целью установления причин аномального поведения теплоемкости и электросопротивления.
Изучение магнитокалорического эффекта и магнитосопротивления соединений типа RCo2 для установления основных механизмов, определяющих величину магнитокалорического эффекта.
В данной работе были получены и выносятся на защиту следующие новые научные результаты и положения.
Обнаружение завышенного магнитного вклада в энтропию магнитоупорядоченных соединений Gdi.xYxNi2 при (х<0.8) по сравнению с рассчитанным в предположении, что магнитный вклад в энтропию вносит только подрешетка гадолиния.
Результаты исследований магнитотепловых свойств соединений (Gd,Y)3Ni, указывающие на существование в них корреляций ближнего антиферромагнитного порядка вплоть до температур в 3-4 раза превышающих температуру магнитного упорядочения.
Результаты измерения теплоемкости бинарных соединений Gd-Ni с большой концентрацией Gd (GdNi2, GdNi, Gd3Ni). Обнаружение дополнительного вклада в линейную по температуре часть теплоемкости гадолиний-содержащих соединений по сравнению с их парамагнитными аналогами. Установление зависимости этого вклада от концентрации гадолиния.
Результаты исследований теплоемкости, энтропии, электросопротивления квазибинарных соединений (Tm,Tb)Co2 и (Er,Y)Co2 в области нестабильности магнитного момента на атомах кобальта. Обнаружение при низких температурах необратимого снижения теплоемкости и электросопротивления этих соединений под действием приложенного магнитного поля. Выявление большого вклада в линейную по температуре часть изотермического изменения энтропии.
Установление корреляции между изотермическим изменением энтропии и электросопротивления под действием магнитного поля в соединениях типа RC02. Выявление немонотонной зависимости изотермического изменения энтропии от температуры упорядочения в ряду соединений RC02, что связывается с влиянием спиновых флуктуации.
Научная и практическая значимость работы. Данные о поведении магнитотепловых свойств и электросопротивления соединений типа R-Ni и RCo2 вносят вклад в развитие существующих представлений о
взаимодействии между подрешетками в редкоземельных интерметаллидах и о роли 3d электронной подсистемы в формировании свойств соединений. Полученные результаты по тепловым свойствам могут быть использованы при разработке материалов для магнитных рефрижераторов.
Личный вклад автора. Автором выполнен синтез и аттестация поликристаллических образцов редкоземельных интерметаллических соединений типа R-T с большим содержанием редкоземельного металла. Проведена автоматизация эксперимента по измерению электросопротивления. Выполнены измерения электросопротивления и магнитосопротивления образцов, а также измерения теплоемкости соединений с использованием низкотемпературного адиабатического калориметра. Выполнена обработка и анализ экспериментальных данных. Соискатель принимал непосредственное участие в обсуждении результатов, написании статей и тезисов докладов.
Достоверность научных результатов обеспечивается использованием аттестованных образцов, применением стандартных методик измерений. Кроме того, полученные данные хорошо согласуются с известными в литературе для тех соединений, для которых такая информация имеется. Выводы обсуждались с привлечением ведущих российских и европейских специалистов в исследуемой области, и были представлены на различных международных и российских конференциях.
Апробация работы. Результаты исследований, изложенные в диссертационной работе, представлены на конференциях и семинарах: международном евразийском симпозиуме "Trends in Magnetism" (EASTMAG, Красноярск, 24-27 августа, 2004 г); московском международном симпозиуме по магнетизму (MISM, Москва, 25-30 июня 2005 г, 20-25 июня 2008 г); совещании по физике низких температур (Ростов-на-Дону, п. Лоо, 26-30 сентября 2006 г); международной конференции по магнитным фазовым переходам (Махачкала, 12-15 сентября 2007 г); молодежной школе-семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества (Екатеринбург, 19-25 ноября 2007 г, 17-23 ноября 2008 г); международной конференции по физике низких температур (Нидерланды, 7-13 августа 2008 г); международной конференции
"Новое в магнетизме и магнитных материалах" (Москва, 28 июня - 4 июля 2009 г).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 14 печатных работах, из них 4 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации 137 страниц, включая 58 рисунков, 5 таблиц и список цитируемой литературы из 165 наименований.
