Введение
♦г
Содержание
5
Глава 1. Кристаллическая структура и магнитные свойства соединений ^2рв14-хСохВ 9
§1.1. Интерметаллические соединения К2РецВ 9
§ 1.2. Магнитные свойства К2Ре)4.хСохВ 13
§ 1.3. Теоретические подходы к описанию магнитных свойств интерметаллических соединений 25
§ 1.3.1. Температурная зависимость констант МКА. 29
^ § 1.4. Использование констант и параметров для выражения энергии 32
анизотропии
§ 1.5. Экспериментальные методы определения констант МКА 34
§ 1.5.1. Метод гиромагнитного резонанса 34
§ 1.5.2. Графический метод 35
§ 1.5.3. Метод Сексмита - Томсона 36
§ 1.5.4. Определение констант анизотропии из экспериментальной за- 37 висимости ширины основных доменов от толщины кристалла § 1.5.5. Метод Боденбергера-Хуберта 38
* § 1.5.6. Метод вращающих моментов 39
§ 1.5.7. Методы определения констант анизотропии из кривых вра- 38 щающих моментов
Заключение по обзору и постановка задачи исследования 43
Глава 2. Методика проведения эксперимента 45
§2.1. Методика приготовления сплавов 45
§ 2.2. Фазовые равновесия и гомогенезирующие отжиги сплавов 46
§ 2.3. Подготовка металлографических шлифов 50
§ 2.3.1. Наблюдение микроструктуры и доменной структуры 50
2
§ 2.4. Гидрирование сплавов 53
§ 2.5. Методика получения монокристаллов 55
§ 2.6. Рентгеноструктурный анализ монокристаллов 57
§ 2.7 Вибрационный магнитометр 60
§ 2.8. Магнитный анизометр 63
Глава 3. Методы расчета констант и коэффициентов магнитокристаллической анизотропии с учетом доменной структуры кристалла. 67
§3.1. Проблемы корректного определения констант анизотропии 67
§ 3.1.1. Зависимость определения констант анизотропии от величины 67 внешнего поля
§3.1.2.0пределение констант анизотропии в малых полях 69
§ 3.1.3. Учет констант высоких порядков для описания анизотропии 71 магнитотвердых материалов
§ 3.2. Учет доменной структуры образца при расчете кривой вращающих моментов. Модель фаз Нееля 76
§ 3.3. Определение критических углов перехода в могодоменное состояние в методе фаз Нееля 82
§ 3.3.1. Влияние констант высших порядков на у* 90
§ 3.4. Оценка достоверности определения констант магнитокристаллической анизотропии 93
§ 3.5. Оценка достоверности определения коэффициентов магнитокристаллической анизотропии 100
Глава 4. Магнитокристаллическая анизотропия соединений 102 Ш2Ре14.хСохВ и У2Реи-хСохВ
§ 4.1. Определение констант и параметров анизотропии соединений Я2Ре14В 102
3
§4.1.1. Определение констант и коэффициентов анизотропии соединения ЫсУРенВ 102
§ 4.1.2. Определение констант и коэффициентов анизотропии соединения У2Ре|4В 107
§ 4.1.3. Определение констант и коэффициентов анизотропии соединения 8т2Ре 14В 110
§ 4.2. Магнитная анизотропия соединений У2Ре!4.хСохВ 114
§ 4.3. Магнитная анизотропия соединений Ыс12Ре14.хСохВ 122
Выводы 137
Литература 139
*
4
Введение
Интерметаллические соединения редкоземельных (Я, РЗМ) и Зё-переходных металлов образуют один из важнейших классов магнитных материалов [1-6]. Это обусловлено тем, что магнитное поведение редкоземельных интерметаллидов определяется свойствами, присущими как редкоземельным (большая намагниченность насыщения, гигантские величины магнитокристаллической анизотропии и анизотропной магнитострикции), так и Зё-магнетикам (высокие температура магнитного упорядочения, высокие значения намагниченности насыщения, большая объемная магнитострикция). Сочетание этих свойств в одном соединении позволяет получить новые магнитные материалы, перспективные для применения в различных областях современной техники. Известными примерами являются соединения ЯСо5 и ЫбгРенВ. На основе последних синтезированы постоянные магниты с рекордными значениями магнитной энергии (до 53 МГс'Э).
Для физики магнитных явлений Я-Зё интерметаплиды также представляют большой интерес, поскольку позволяют изучать взаимодействие двух магнитных систем различной природы, образованных локализованными 4{~ электронами Я ионов и зонными ё-электронами. В твердых телах магнитоактивные 4Г-электроны Я ионов сохраняют локализацию на узлах кристаллической решетки с редкоземельными атомами, тогда как их 5ё- и бБ-электроны частично или полностью коллективизированы и их магнетизм имеет преимущественно локализованный характер. Что касается атомов переходных металлов, то электроны их частично заполненной Зё-оболочки существенно коллективизированы.
Анализируя публикации последних лет, можно придти к выводу, что константы анизотропии, приводимые в работах у различных авторах часто отличаются. Этому могут содействовать ряд причин. Во-первых, определяемые значения констант анизотропии зависят от величин полей, используемых
в экспериментах [7]. Во-вторых, экспериментаторы иногда используют для измерений магнитных характеристик не монокристаллические образцы.
Выходом в сложившейся ситуации могут быть либо магнитные измерения на монокристаллах или использование методов определения констант анизотропии из кривых намагничивания и кривых вращающих моментов, проведенных в невысоких магнитных полях. Однако, в этом случае, для более прецизионного определения констант анизотропии необходимо учитывать многодоменное состояние образца. Таким образом, возникла потребность разработать методику определения констант анизотропии, учитывающую многодоменное состояние образца.
Константы анизотропии тетрагонального магнетика определяют, как правило, из кривых намагничивания, измеренные в трех основных кристаллографических направлениях: <100>, <110>, <001>. Однако, более точным является метод вращающих моментов, позволяющий исследовать магнитную анизотропию во всем интервале углов при постоянном внешнем магнитном поле. При использовании данного метода исключается влияние переменной величины внешнего поля на точность определения констант анизотропии.
В данной работе исследовались соединения типа Кб2ре|4.хСохВ и У2Ре14.хСохВ. Соединение Ис^енВ имеет самую высокую температуру магнитного фазового перехода из всех Ш2Ре14.хСохВ, что позволяет подробно исследовать явление спиновой переориентации, не прибегая к дорогостоящим криогенным методам исследования. Замещая часть железа на кобальт, можно проследить, как изменяется намагниченность, характер анизотропии и тип магнитного перехода в зависимости от концентрации Со и температуры и сделать вывод о влиянии подрешеток Ре, Со и N6 на магнитную анизотропию соединений ШгРе^хСОхВ и У2Ре14-хСОхВ.
В связи с вышеизложенным, целью данной работы являлось разработка методики определения констант и коэффициентов анизотропии из кривых вращающих моментов с учетом многодоменного состояния образца, а также
проведение систематических исследований магнитной анизотропии соединений Н<ЬРе,4.хСохВ и У2Ре14-хСохВ в широком интервале температур. Были поставлены следующие задачи:
- синтезировать монокристаллы интерметаллических соединений Ыб2Ре|4_хСохВ и У2Ре14.хСохВ с различной концентрацией кобальта;
- разработать методику определения констант и коэффициентов МКА высоких порядков методом вращающих моментов с учетом многодоменного состояния;
- исследовать температурные зависимости констант и коэффициентов МКА соединений Ыс12Ре14.хСохВ и У2Ре14.хСохВ в интервале температур 77-750 К;
- построить магнитные фазовые диаграммы соединений Ш^е^СОхВ и ¥2Ре!4.хСохВ с учетом двух коэффициентов МКА;
- сопоставить различные способы феноменологического описания магнитокристаллической анизотропии.
Диссертация содержит введение, четыре главы, заключение и список цитируемой литературы.
В первой главе приведен обзор экспериментальных и теоретических работ по исследованию кристаллической структуры, намагниченности и анизотропии соединений К2Ре14В и К2Ре|4.хСохВ, а также других методов исследования магнитокристаллической анизотропии. Показана проблема определения констант анизотропии из кривых вращающих моментов.
Вторая глава посвящена методике проведения эксперимента. Описаны методы получения сплавов и монокристаллических образцов исследованных соединений. Дано описание установок для гидрирования сплавов и для измерения кривых механического вращающего момента.
Третья глава раскрывается проблема определения констант и коэффициентов анизотропии. Остальная часть главы посвящена методике определения констант и коэффициентов анизотропии из кривых вращающих моментов с
учетом доменной структуры, определение ошибки методики с учетом систематической погрешности анизотметра и разработке рекомендаций по определению констант анизотропии из кривых вращающих моментов, полученных в небольших полях.
В четвертой главе приводятся экспериментальные данные кривых вращающих моментов соединений УгРе^хСохВ и Ж2Ре14.хСохВ, а также показаны температурные зависимости определенных констант и коэффициентов анизотропии. Произведен расчет полей анизотропии исследованных соединений с учетом двух коэффициентов анизотропии.
В заключении приводятся основные результаты и выводы диссертационной работы.
Глава 1. Кристаллическая структура и магнитные свойства соединений Р2Ре14.хСохВ
1.1. Интерметаллические соединения И2Ге14В
Корректное стехиометрическое соотношение высокоанизотропной фазы ЫсУгемВ установлено методами дифракции нейтронов и подтверждено рентгеновскими исследованиями [8-10]. Уникальные магнитные свойства этого соединения в значительной степени обусловлены его кристаллической структурой, которая описывается пространственной группой Р42/тпт [8]. В тетрагональной элементарной ячейке ИбгИеиВ с параметрами а = 8,79 и с = 12,19 содержится 68 атомов (рис. 1.1).
Атомы железа находятся в шести различных кристаллографических положениях (4е, 4с, 8)1, 8)2, 16к|, 16к2), атомы неодима - в двух (4Г, 4§), бора -одном (40. При этом атомы неодима группируются в пары в кристаллографических направлениях <110>. Атомы железа образуют объемноцентрированные гексагональные призмы. Атомы бора находятся в центрах тригональных призм, образованных атомами Ре в позициях 16к и 4е. Из рисунка 1.1 следует, что каждая элементарная ячейка Ж2Ре|4В состоит из восьми слоев атомов, чередованием которых строится решетка вдоль с-оси. Проекции на базисную плоскость атомов в этих слоях приведены на рис. 1.2.
Наличие в решетке кристаллографически неэквивалентных положений магнитоактивных атомов (Ре, N<1) и, в частности, различных межатомных расстояний Ре-Ре, Ш-Ж, Ж-Ре приводит к особенностям в температурном поведении магнитных свойств этих соединений.
Соединения Я2Ре14В образуются для всех РЗМ, что позволяет систематически проанализировать характер изменения их магнитных свойств. В таблице 1.1. приведены основные магнитные характеристики
фРш СО Ре в €РвРв]2©Рв к1 к2 ®В д
Рис. 1.1. Тетрагональная элементарная ячейка ШгРемВ. Показаны кристаллографически неэквивалентные положения атомов N<1, Ие и В. Соотношение параметров решетки а и с
изменено [8]
¥
соединений ряда ЯгРе^ (намагниченность насыщения (18), поле анизотропии (На) и температура Кюри (Тс)) [9].
Для синтеза постоянных магнитов весьма важны максимальные значения намагниченности, температуры Кюри и поля анизотропии. С этой точки зрения наиболее перспективными для разработки постоянных магнитов являются соединения Рг2Ре14В, Ш2Ре|4В, Эт^енВ.
О
ю
ф гм 10м«
«о *• •€*• ЦО* 1ав* *а •• •
Рис. 1.2. Расположение атомов в базисной плоскости и проекция на нее первого слоя атомов Fe (z~l/6) в Nd2Fei4B (а); проекции трех слоев Fe, расположенных между базисной плоскостью и плоскостью z=l/2 (b); проекция первого слоя атомов Fe и соседнего с ним
слоя атомов Fe(j2) z—1/4 (с) [8]
Соединения R2FeuB имеют сложный характер температурной зависимости типа анизотропии. В пределах всей области магнитного упорядочения (температуры Кюри приведены в таблице 1.1) соединения Pr2Fei4B, Gd2Fej4B, Tb2Fei4B и Dy2Fei4B являются магнитно-одноосными, в то время как намагниченность Sm2Fei4B лежит в базисной плоскости. Соединения с Nd, Но, Ег, Тш и Yb демонстрируют изменение типа анизотропии при температуре спиновой переориентации Ten- В Er2Fei4B, Tm2Fei4B и Yb2Fei4B направлениями легкого намагничивания при температуре ниже Тсп являются оси (100) в базисной плоскости и
направления (001) при более высокой температуре. Соединения Ш^е^ и Но2Ре14В обнаруживают более сложное поведение. Являясь выше температуры Тем магнитно-одноосными, эти соединения ниже Тсп являются многоосными. Причем направления легкого намагничивания лежат в плоскостях (110) на поверхности конуса, угол раствора которого 0
Таблица 1.1. Намагниченность насыщения (15), поле анизотропии (Н,) и температура _______________________ Кюри (Тс) соединений ЯгРецВ [11].
Соединение 4 К 295 К Тс К
18 Рв/ф-е. 4я15 Тл На МА/м 15 Цв/ф.е. 4я18 Тл На МА/м
Ьа^е^В 30,6 1,48 0,95 28,4 1,38 1,59 530
Се2ре14В 29,4 1,47 2,11 23,9 1,17 2,07 424
Рг2РеиВ 37,6 1,84 15,91 31,9 1,56 5,96 565
Ыс12Ре,4В 37,7 1,85 13,53 32,5 1,60 5,81 585
5т2Ре14В 33,3 1,67 15,91 30,2 1,52 11,94 616
вс12Ре14В 17,9 0,92 1,51 17,5 0,89 1,91 661
ТЬ2РеиВ 13,2 0,66 23,87 14,0 0,70 17,51 620
Эу2Ре]4В 11,3 0,57 13,53 14,0 0,71 11,94 598
Но2Ре14В 11,2 0,57 7,96 15,9 0,81 5,97 573
Ег2Ре!4В 12,9 0,66 20,70 17,7 0,90 0,63 554
Тт2Ре]4В 18,1 0,92 13,53 22,6 1,15 0,63 541
УЬгРемВ -23 -1,2 - -23 -1,2 - 524
Ьи2Ре14В 28,2 1,47 1,59 22,5 1,17 2,07 535
У2Ре14В 31,4 1,59 1,43 27,8 1,41 2,07 565
ТЬ2Ре14В 28,4 1,22 1,59 24,7 1,41 2,07 481
постепенно растет при понижении температуры и достигает для соединения Ш^е^ значения 0 - 30° при Т = 4,2 К [12-19].
- Київ+380960830922