Взаимодействие магнитной и проводящей электронных подсистем в редкоземельных металлах

1. Введение..........................................................................2
2. Общие свойства тяжелых РЗМ........................................................4
2.1. Кристаллическая структура тяжелых РЗМ.........................................6
2.2. Электронная структура тяжелых РЗМ.............................................7
2.3. Магнитные структуры, встречающиеся в тяжелых РЗМ..............................8
2.4. Косвенное обменное взаимодействие через электроны проводимости...............11
3. Влияние топологии ПФ на магнитные структуры, реализующиеся в тяжелых РЗМ... 13
3.1. Поверхности Ферми тяжелых РЗМ, нестинг.......................................13
3.2. Обобщенная восприимчивость...................................................16
3.3. Взаимосвязь магнитной структуры и формы поверхности Ферми....................19
3.4. Электронные топологические переходы в металлах...............................24
3.5. Литературный обзор...........................................................29
3.6. Идея и цель исследования.....................................................39
4. Эксперимент.....................................................................41
4.1. Чистый тербий................................................................41
4.1.1. Изучение магнитных свойств монокристалла тербия при одноосном сжатии. 43
4.1.2. Изучение магнитных свойств тербия под гидростатическим давлением 49
4.1.3. Упругая аномалия в монокристалле тербия при одноосном растяжении 57
4.1.4. Аномалия термо-ЭДС в монокристалле тербия при одноосном растяжении...64
4.2. Твердые растворы ТЬ* Ос1|-х при одноосном сжатии.............................68
4.3. Твердые растворы УхСс1|.х под гидростатическим давлением.....................73
4.4. Но4оС(1^ под гидростатическим давлением......................................80
5. Выводы..........................................................................84
6. Заключение......................................................................90
7. Список публикаций...............................................................92
8. Литература......................................................................93
1
1. Введение
Среди элементов периодической системы Менделеева явление ферро- и антиферромагнитного упорядочения наблюдается не только у 3^-переходных элементов, но и в обширной группе редкоземельных элементов, которые обладают незаполненной 4/-оболочкой. Хотя отдельные физико-химические свойства редкоземельных элементов были известны сравнительно давно, большая часть информации о магнитных свойствах в металлическом состоянии была получена для них лишь в последние четыре десятилетия. Решение проблемы очистки и разделения редких земель дало основу бурному развитию работ по изучению магнитных и других физико-химических свойств чистых редкоземельных металлов (РЗМ) и их сплавов.
Изучение магнитных и электрических свойств, магнитной анизотропии, магнитострикции, магнитного гистерезиса и других свойств РЗМ не только индуцировало поиски композиций, обладающих рекордными магнитными параметрами, но и имело фундаментальное значение для развития теории магнетизма. При этом было установлено, что многие магнитные свойства РЗМ и их сплавов обусловлены спецификой электронной структуры ионов редких земель, а также особенностями энергетического спектра электронов проводимости.
В РЗМ и их сплавах можно провести достаточно четкое деление на электроны, обладающие локализованными магнитными моментами, и электроны проводимости. Для описания магнитного упорядочения в них можно использовать более простые теоретические модели, чем в других переходных металлах. Поэтому эти вещества удобны для проверки и уточнения теоретических концепций, широко применяющихся для описания магнитоупорядоченного состояния в металлических ферромагнетиках и антиферромагнетиках.
Другой характерной особенностью этих магнетиков является то, что в них наблюдаются длиннопериодические магнитные структуры, периоды которых зависят от топологических особенностей поверхности Ферми (ПФ).
Таким образом, все сказанное выше позволяет характеризовать физику редкоземельных магнетиков как отдельную область физики магнетизма, имеющую большое теоретическое и прикладное значение [I]. Для ее развития важное значение имеет исследование явлений, обусловленных влиянием электронной структуры редкоземельных ионов и энергетического спектра электронов проводимости на магнитное упорядочение РЗМ и их сплавов, что диктует необходимость комплексного изучения их магнитных, транспортных, упругих и других физических свойств. Данная
2
диссертационная работа посвящена изучению взаимодействия подсистемы локализованных магнитных электронов с подсистемой электронов проводимости в тяжелых редкоземельных металлах.
В главе «Общие свойства тяжелых редкоземельных металлов» кратко описаны основные свойства тяжелых РЗМ, представлены кристаллические, электронные и магнитные структуры, встречающиеся в этих элементах, а также рассмотрено обменное взаимодействие через электроны проводимости, которое имеет место в тяжелых РЗМ. В главе «Влияние топологии ПФ на магнитные структуры, реализующиеся в тяжелых РЗМ» основное внимание уделено непосредственно механизму влияния энергетического спектра электронов проводимости на магнитные свойства РЗМ, отдельный параграф посвящен теоретическому рассмотрению электронных топологических переходов (ЭТП) в металлах. В конце главы изложены цели и идея проводимого исследования и приводится краткий литературный обзор работ по теме диссертации.
В главе «Эксперимент» приводится описание методики и техники экспериментов, представлены результаты и их обсуждение.
В конце диссертации приводятся основные выводы, сделанные на основании результатов проведенного исследования и заключение.
3
2. Общие свойства тяжелых РЗМ
Редкоземельные металлы являются объектом активного изучения уже около 40 лет. Все эти материалы имеют похожие физические свойства, и представляют собой совершенно особую совокупность химических элементов периодической системы Д. И. Менделеева. Эти элементы различаются только заполнением 4/оболочки, тогда как внешние электронные оболочки, а также химические свойства у них практически одинаковы.
Особые и весьма интересные свойства РЗМ, элементов переходной 4/группы, в первую очередь связаны с особенностями структуры электронной оболочки атомов данных веществ, а именно с наличием в этой оболочке достраивающегося глубинного 14-местного 4/слоя. Будучи третьим снаружи, этот слой практически не влияет на химические свойства, а магнитный момент, связанный с ним, оказывается хорошо локализованным, в то время как три внешних электрона образуют металлическую зону проводимости [2].
Редкоземельные металлы разделяются на две группы, существенно различающиеся по своим магнитным свойствам: легкие РЗМ (Ба, Се-Еи), имеющие мснсс чем наполовину заполненную 4/оболочку, и тяжелые РЗМ (Оё-УЬ), имеющие более чем наполовину заполненную 4/оболочку. Тяжелые металлы являются сильно магнитными, (ферромагнитными при низких температурах), тогда как легкие металлы слабомагнитны (большинство из них обладает антиферромагнетизмом). С другой стороны, такие немагнитные элементы, как скандий ^=12) и иттрий (г=39), атомы которых имеют электронные конфигурации, аналогичные конфигурациям тяжелых РЗМ (один ^-электрон внутри заполненной 5-оболочки), часто также включаются в рассмотрение. Важность этих элементов для РЗМ заключается в их роли идеальных «растворителей», посредством которых удается варьировать эффективный атомный объем, не вызывая заметных изменений в зонной структуре материала [2], [3].
Атомный объем и средний ионный радиус РЗМ непрерывно уменьшаются с ростом атомного номера. Этот эффект хорошо известен как лантанидное сжатие и связан с тем, что с ростом заряда ядра в ряду редкоземельных элементов, потенциал, действующий на 4/ электроны, усиливается, и их орбитали обнаруживают систематическое сжатие по радиусу.
Все тяжелые редкоземельные металлы при комнатной температуре имеют гексагональные плотноупакованные решетки. Атомы тяжелых РЗМ в кристаллической решетке находятся в трехвалентном состоянии, (исключение составляет иттербий,
который не является типичным представителем этого семейства и в дальнейшем рассматриваться не будет).
Магнитные РЗМ и твердые растворы типа «РЗМ-РЗМ» представляют огромный интерес благодаря сложным магнитным структурам, которые в них наблюдаются в широких температурных интервалах. Исследования дифракции нейтронов показали, что в упорядоченном состоянии спиновые структуры тяжелых РЗМ оказываются намного более сложными, чем структуры классических ферромагнитных и антиферромагнитных веществ
[1Н4].
В сплавах «тяжелый РЗМ- тяжелый РЗМ» существует полная растворимость компонентов без образования промежуточных фаз и имеет место плавная зависимость изменения параметров кристаллической решетки и отношений осей по всему интервалу составов [2].
5
2.1. Кристаллическая структура тяжелых РЗМ
Все тяжелые редкоземельные элементы, кроме иттербия, при комнатной температуре имеют гексагональную плотноупакованную структуру. Эта структура имеет последовательность слоев АВАВ... .
Параметры решеток тяжелых элементов, за исключением гадолиния и иттербия, очень хорошо соответствуют эффекту лантанидного сжатия. Аномальные значения параметра решетки гадолиния связывают с тем фактом, что этот металл, в отличие от других элементов, обладает ферромагнитным упорядочением при комнатной температуре. Отношения осей с/а у тяжелых РЗМ изменяется от 1.590 для гадолиния до 1.586 для лютеция, проходя через минимум порядка 1.571 между гольмием и тулием [2]. Типы структур тяжелых РЗМ, параметры решеток для комнатной температуры и сведения о металлических радиусах ионов приведены в таблице 2.1.1
Таблица 2.1.1
Структурные свойства н параметры решеток РЗМ при комнатной температуре
Элемент Тип структуры Параметр д,А Параметр сА Отношение с/а Металлический радиус нона, А
г. п. у. 3,634 5,781 1,5910 1,802
ТЬ г. п. у. 3,606 5,697 1,5800 1,782
Ву г. п. у. 3,593 5,654 1,5735 1,773
Но г. п. у. 3,580 5,627 1,5720 1,766
Ег г. п. у. 3,561 5,593 1,5706 1,757
Тт г. п. у. 3,543 5,571 1,5725 1,746
Ьи г. п. у. 3,510 5,567 1,5797 1,734
Структуры большинства РЗМ (Ос1, ТЬ, Оу, Но), соответствующие комнатной температуре, переходят в структуру о. ц. к. при температурах вблизи точки плавления [2].
6