Исследование температурно-индуцированных метамагнитных переходов в соединениях RCo3 с R=Y, Er, Ho и Tb тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

Введение

ГЛАВА I

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА СОЕДИНЕНИЙ RCo

§1.1 Зонная модель магнетизма.

§1.2 Зонный метамагнетизм.

§1.3 Учет спиновых флуктуаций

§1.4 Магнетизм 4/ электронов.

§ 1.5 Гибридизация d-электронных орбиталей в R-3d интерметаллидах

§1.6 Взаимодействие зонной и локализованной подсистем.

§1.7 Объемный и магнитообъемный эффекты.

§1.8 Кристаллическая анизотропия и магнитострикция.

§1.9 Транспортные свойства R-3d интерметаллидов.

§1.10 Кристаллическая структура соединений RC03.

§1.11 Магнитные свойства соединений RCo3.

§ 1.12 Магнитные свойства замещенных систем на основе RC

ГЛАВА II

ПРИГОТОВЛЕНИЕ ОБРАЗЦОВ И МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ

§2.1 Синтез и аттестация образцов.

§2.2 Измерение теплового расширения рентгеновским методом

§2.3 Измерение электро- и магнитосопротивления.

ГЛАВА III ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

§3.1 Тепловое расширение соединений RCo3. R = Ег, Но и ТЬ

§3.2 Влияние магнитной нестабильности зонной подсистемы на физические свойства соединений RC03.

§ 3.3 Тепловое расширение системы Егх^У^Соз.

§ 3.4 Электросопротивление системы Er1a.Ya;Co3.

§ 3.5 Система Нох-^У^Соз

§ 3.6 Система ТЬ1жУхСо

§3.7 Влияние замещений Зс?-элемента на магнитную нестабильность зонной подсистемы ЕгСоз.

Интерметаллические соединения редкоземельных (РЗ) и Зб?-переходных элементов формируются при фиксированном соотношении компонент и образуют один из важнейших классов магнитных материалов. Это обусловлено тем, что магнитное поведение таких интерметаллидов определяется свойствами, присущими как редкоземельным (большая величина намагниченности насыщения, гигантские величины магнитокристаллической анизотропии и анизотропной магнитострикции), так и Зо?-магнетикам (высокие температуры магнитного упорядочения, гигантская объемная магнитострикция). Сочетание этих свойств в одном соединении позволяет получать новые магнитные материалы, перспективные для применения в различных областях современной техники. Известными примерами являются соединения RCo5, R2Fei4B, на основе которых синтезированы постоянные магниты с рекордными значениями магнитной энергии (до 6 х 107 ГсЭ) [1,2]. Соединения RFe2 нашли широкое применение, как обладающие гигантской магнитострикцией при комнатной температуре ^^ и2х Ю-3 кЭ"1 [3].

Для физики магнитных явлений R-3c£ интермегаллиды представляют большой интерес, поскольку позволяют изучать взаимодействие двух магнитных подсистем различной природы, образованных локализованными ^-электронами РЗ ионов и зонными d-электронами. В твердых телах 4/-электроны сохраняют локализацию на РЗ узлах, тогда как 5d и бя-электроны частично или полностью коллективизированы. Поэтому РЗ магнетизм в них обусловлен атомными характеристиками S, L и J. Проблема описания основного состояния РЗ ионов сводится, таким образом, к определению характера расщепления энергетических уровней 4/-оболочек вследствие совместного действия внутренних (кристаллических) магнитных и электрических полей.

Что касается переходных атомов, то электроны из частично заполненной

Зс?-оболочки существенно коллективизированы в интерметаллических соединениях. Энергетический спектр 3d-электронов является квазинепрерывным, а важнейшие параметры для описания их свойств — энергетическая зависимость плотности электронных состояний N(e) и положение уровня Ферми ер.

Характерной особенностью R-3d интерметаллических соединений является гибридизация Зс?-электронных состояний переходного атома с 5d-состояниями РЗ (Ы-Ad гибридизация в случае Y-3d интерметаллидов), что приводит в ряде случаев к существенной трансформации энергетической зависимости плотности состояний вблизи уровня Ферми. Вследствие этого магнитные свойства зонной i-подсистемы различных интерметаллидов, содержащих один и тот же З^-элемент, могут значительно отличаться друг от друга. При определенных условиях зонная подсистема таких интерметаллидов проявляет магнитную нестабильность, которая заключается в скачкообразном изменении основного состояния при изменении внешних (магнитное поле, давление) или внутренних (молекулярное поле, N(eF), межатомные расстояния и др.) параметров.

Благодаря существенно различной природе двух электронных подсистем, магнитное поведение R-3d интерметаллидов успешно описывается в модели двухподрешеточного магнетика, позволяющей четко отделить свойства, обусловленные 4/ и 3d-электронами. В случае тяжелых РЗ эти соединения являются двухподрешеточными ферримагнетиками с антипараллельно направленными магнитными моментами подрешеток: локализованной РЗ и зонной, образованной подсистемой 3d-5d электронов. Поскольку основной вклад в электронную плотность rf-состояний привносят Зс?-электроны, часто ее называют Зб?-подрешеткой.

Исследование магнитных фазовых переходов в R-3d интерметаллических соединениях, зонная подсистема которых является магнитно нестабильной, представляет особый интерес, поскольку позволяет глубже понять особенности зонного магнетизма, определить параметры внутриподрешеточного и межпорешеточного обменных взаимодействий в них, сделать выводы о структуре d-зоны вблизи уровня Ферми, провести сравнительный анализ результатов полученных различными методами.

Зонный метамагнетизм системы d-электронов — фазовый переход первого рода парамагнетизм-ферромагнетизм при приложении внешнего поля — служит ярким примером магнитной нестабильности. Впервые зонный метамагнетизм наблюдался экспериментально в 1985 г. в системе У(Со,А1)2 [4,5]. В 1989 г. метамагнитные переходы удалось наблюдать в неразбавленных соединениях УСо2 и LuCo2 в критических полях 680 и 750 кЭ, соответственно [6]. Эти работы положили начало многочисленным исследованиям, связанным с влиянием температуры и замещений Со различными элементами на особенности метамагнитных переходов [7,8]. Было обнаружено, что в большинстве случаев зонную подсистему соединений RCo2 (кубические фазы Лавеса) со всеми тяжелыми РЗ и Y можно считать практически идентичной и при интерпретации результатов оперировать представлениями жесткой cf-зоны. Тем не менее, оказалось, что система Lu(Co,A1)2 при концентрациях А1 выше 12 ат. % имеет аномально высокие значения температуры Кюри и спонтанной намагниченности [9].

Помимо замещений Зй-ионов, в последние годы развит другой эффективный способ снижения полей метамагнитных переходов в экспериментально достижимую область — воздействие на (i-подсистему f-d обменным полем, что дает возможность варьировать эффективное поле, действующее на эту подсистему в широких пределах. В связи с чем особую важность приобретают сведения о величине межподрешеточного f-d обменного взаимодействия.

Несмотря на то, что R-3d интерметаллиды с магнитной нестабильностью интенсивно изучались различными методами на протяжении ряда лет во многих лабораториях, эти исследования касаются лишь наиболее простых ситуаций. В частности, существенно более сложным является случай интерметал-лида YC03 [10]. Основное состояние YC03 является ферромагнитным {Тс = = 300 К, Ms = 1.45 /хв/ф.е.) и метамагнитные переходы в нем происходят из слабо ферромагнитного состояния в сильно ферромагнитное в два этапа, через промежуточное состояние в полях 60 и 82 Т, соответственно. В большинстве соединений RC03 с магнитными РЗ кобальтовая подсистема находится в сильно ферромагнитной фазе (кроме R = Pr, Sm, Tm и Yb). В работах [11-14] исследовалось влияние замещений Gd и Nd на иттрий на магнитное состояние кобальтовой подсистемы, и было показано, что плавным изменением f-d молекулярного поля Вf^ можно добиться скачкообразного изменения состояния кобальта в системах Gdi^YzCoa и Ndi-^Y^Coa.

Следует отметить, что величину Bjd можно варьировать в интерме-таллидах и с помощью температуры (вследствие изменения намагниченности РЗ подрешетки Mr с температурой). В литературе известно одно соединение, ThCo5 [15,16], в котором магнитное состояние кобальтовой подрешетки меняется скачком по температуре. В соединениях серии RC03 поиски таких переходов ранее не проводились, хотя предварительный анализ показал, что это явление — температурно-индуцированный зонный метамагнетизм — может наблюдаться и в этой серии соединений.

Исходя из сказанного, в диссертационной работе была сформулирована следующая основная задача: исследование основного состояния зонной подсистемы в псевдобинарных соединениях (R,Y)Co3, где R = Ег, Но и ТЬ. Целью этих исследований являлось определение критических концентраций магнитных редких земель, при которых происходит изменение магнитного состояния кобальта, а также изучение особенностей магнитного состояния этой подсистемы при высоких температурах.

Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов и списка цитированной литературы.

Выводы 135 с), которая является осью легкого намагничивания в крайних составах ЕгСо3 и YC03. Сделан вывод, что это происходит из-за преимущественного вхождения атомов иттрия в редкоземельные места с одноосной анизотропией, что дополнительно уменьшает вклад в одноосную анизотропию от ионов Eri и приводит к спиновой переориентации в замещенных составах при низких температурах.

7. В системах Ег^а-У^Соз и Tbi-^Y^Cos обнаружены орторомбические искажения кристаллической решетки магнитоупругой природы. Определена величина этих искажений и показано, что доминирующий вклад в константу магнитострикции Л7'2 дает редкоземельная подрешетка.

8. Показано, что температура метамагнитного перехода в ЕгСоз существенно изменяется при замещении кобальта на другие 3d элементы (Fe, Ni). Сделан вывод, что эта зависимость обусловлена главным образом изменением концентрации d-электронов, что приводит к смещению положения уровня Ферми на энергетической зависимости плотности d-электронных состояний. Этот механизм существенно доминирует над изменением величины f-d обменного взаимодействия вследствие изменения межатомных расстояний при замещениях.

1. К. П. Белов, Редкоземельные материалы, УФН, 160, №2, 1972, 365-368.

2. Е. Несбитт и Дж. Верник, Постоянные магниты на основе редкоземельных элементов, (пер. с англ.), М. Мир, 1977.

3. К. П. Белов, Г. И. Катаев, Р. 3. Левитин, С. А. Никитин, В. И. Соколов, Гигантская магнитострикция, УФН, 140, 1984, 271-313.

4. В. В. Александрян, А. С. Лагутин, Р. 3. Левитин, А. С. Маркосян, В. В. Снегирев, Метамагнетизм коллективизированных электронов в У(Со1яА1а;)2, ЖЭТФ, 89, 1985, 271-276.

5. К. Yoshirnura, У. Nakamura, New weakly itinerant ferromagnetic system Y(Co1a:Ala;)2, SSC, 56, 1985, 767-771.

6. T. Goto, K. Fukamichi, T. Sakakibara and H. Komatsu, Itinerant electron metamagnetism in YCo2, SSC, 72, 1989, 945-954.

7. P. 3. Левитин, А. С. Маркосян, Зонный метамагнетизм, УФН, 155, 1988, 623-657.

8. Е. Burzo, Magnetic properties of Gd(Coia;T:c)2 compounds with T = Fe or Ni, Rev. Roum. Phys., 23, 1978, 689-701.

9. I. S. Dubenko, R. Z. Levitin and A. S. Markosyan, Lutetium 'paradox' in the series of intermetallic compounds R(Coia;Ala;)2 (R is a heavy rare earth or yttrium), JMMM, 111, 1999, 146-148.

10. T. Goto, H. A. Katori, T. Sakakibara and M. Yamaguchi, Sucessive Phase Transition in Ferromagnetic YC03, Technical reports of ISSP, Ser A, № 2446, 1991, 25.

11. И. М. It oh, Т. Shibata, Н. Тапака, К. Koui and Т. Goto, Microscopic observation of the metamegnetic transition in intermetallic compounds Yi-sNdsCoa and Yi^Gd^Coa: a 59Co NMR study, JMMM, 190, 1998, 210220.

12. T. Goto, M. I. Bartashevich, K. Koui, M. Yamaguchi, Co metamagnetism and magnetic phase diagram of Yi^Nd^Coa, JMMM, 140-144, 1995, 865866.

13. T. Goto, K. Koui, M. J. Bartashevich, H. A. Katori, M. Yamaguchi, I. Yamamoto and F. Sugaya, Itinerant metamagnetism of the Co-sublattice in the Yi-^Nd^Coa system in ultrahigh magnetic fields up to 110 T, Physica B, 201, 1994, 143-146.

14. K. Koui, M. I. Bartashevich, T. Goto, H. Aruga Katori, M. Yamaguchi, Co metamagnetism in Yi^Nd^Coa under ultra-high magnetic field, Physica B, 201, 1994, 143-146.

15. D. Givord, J. Laforest, R. Lemair, Magnetic transition in ThCo5 induced by Co moment change, Physica B, 86-88, 1977, 204-206.

16. R. Ballou, M. Shimizu, J. Voiron, Pressure effect on the metamagnetic transition of ThCo5, JMMM, 1990, 89-94.

17. Г. С. Кринчик, Физика магнитных явлений, Москва, ИМУ, 1985.

18. D. Schmidt and D. Gignoux, Modern magnetism, Materials Sciences and Technology. Ed. by R. W. Cahn, P. Haasen, E. I. Kramer, VCH Verlaggesellschaft GmBH, D 6940, 1992, Weinheim (FRG), 233.

19. E. C. Stoner, Itinerant electron ferromagnetism, Proc. Roy. Soc. (London), Ser. A, 165, 1938, 372.

20. С. В. Вонсовский, Магнетизм, Москва, Наука, 1971.

21. Е. P. Wohlfarth, P. Rhodes, Collective electron metamagnetism, Phil. Mag., 7, 1962, 1817-1824.

22. M. Shimizu, Itinerant electron magnetism, Rep. Prog. Phys., 44, 1981, 329405.

23. M. Shimizu, Itinerant electron metamagnetism, J. Physique, 43, 1982, 155163.

24. T. Moriya, Y. Takahashi, Spin fluctuation theory of itinerant electron ferromagnetism — a unified picture, J. Phys. Soc. Jap., 45, 1978, 397-408.

25. Т. Мория, Спиновые флуктуации в магнитиках, Москва, Мир, 1988.

26. Н. Yamada, Pressure effect in an itinerant-electron metamagnet at finite temperature, J. Magn. Magn. Mat., 139, 1995, 162-170.

27. H. Yamada and K. Terao, Negative mode-mode coupling among spin fluctuations and the magneto-volume effect in an itinerant-electron ferromagnet, J. Phys.: Condens. Matter, 6, 1994, 10805-10809.

28. A. Z. Solontsov, Effects of Zero-Point Spin Fluctuations and Landau Theory of Weak Itinerant Magnets, The Phys. of Met. and Metallogr., 75, 1993, 1-4.

29. Н. Yamada, К. Fukamichi, Т. Goto, Itinerant-electron metamagnetism and strong pressure dependence of the Curie temperature, Phys. Rev. B, 65, 024413-(l-6).

30. M. A. Ruderman, Ch. Kittel, Indirect exchange coupling of nuclear magnetic moment of conduction electrons, Phys. Rev, 96, 1954, 99-102.

31. T. Kasuya, A theory of metallic ferro and antiferromagnetism on Zerner's model, Prog. Theor. Phys., 16, 1956, 45.

32. K. Yosida, Magnetic structure of rare-earth metals, Phys. Rev., 106, 1957, 893.

33. E. Gratz, A. S. Markosyan, Physical properties of RCo2 Laves phases, J. Phys.: Condens. Matter, 13, 2001, R385-R413.

34. M. Shiga, Invar Alloys, Material Science and Technology, 1993, vol. 3B, Electronic and Magnetic Properties of Metals and Ceramics, Part II, 159210.

35. N. H. Due, D. Givord, C. Lacroix and C. Pinettes, New approach to itinerant electron metamagnetism, Europhys. Lett., 20, 1992, 47.

36. J. C. Slater and G. F Koster, Simplified LCAO method for the periodic potential problem, Phys. Rev. 94, 1954, 1498-1524.38j N. D. Land, H. Ehrenrieh, Itinerant electron theory of pressure in Ni and Co, Phys. Rev., 168, 1968, 605-622.

37. E. F. Wasserman, Invar: Moment-Volume Instabilities in Transition Metals and Alloys, Elsevier Science Publishers, Ferromagnetic Materials, 5, 1990, 237-322.

38. Н. Gollisch, R. Feder, Manifestation of the Moment-Volume Instability of Fe3Pt in Spin-Resolved Photoemission Spectra, SSC, 84, 1992, 537-539.

39. T. Kaplan and D. Lyons, Phys. Rev., 129, 1963, 2072-2086.

40. T. Kasuya and D. Lyons, Journ. Phys. Soc. Japan, 21, 1966, 287-307.

41. Ю. П. Ирхин, Электронное строение 4/-оболочек и магнетизм редкоземельных металлов, УФН, 154, 1988, 321-333.

42. А. К. Звездин, В. М. Матвеев, А. А. Мухин, А. И. Попов, Редкоземельные ионы в магнитоупорядоченных кристаллах, М., Наука, 1985.

43. Е. Gratz, М. Zuckermann, Transport Properties of Rare Earth Intermetallics, Handbook on the Physics and Chemistry of Rare Earth 5, North-Holland, Amsterdam, 1982.

44. J. M. Fournier and E. Gratz, Transport Properties of Rare Earth and Actinides Intermetallics, Handbook on the Physics and Chemistry of Rare Earths 17, ed. by K.A. Gschneidner, L. Eyring, H.G. Lander and G.R. Choppin, North-Holland, Amsterdam, 1993.

45. E. Gratz, Transport phenomena in spin fluctuations systems, Physica B, 237-238, 1997, 470-473.

46. У. Пирсон, Кристаллохимия и физика металлов и сплавов, М., Мир, 1, 1977.

47. Landolt-Bornstein, Numerical data and functional relationships in science and technology, ed. by H. P. J. Wijn, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1990.

48. Физика твердого тела, энциклопедический словарь под ред. В. Г. Ба-рьяхтара, Киев, «Наукова думка», 1996.

49. Т. Goto, Н. Aruga Katori, Т. Sakakibara, М. Yamagichi., Со anisotropy in YCo3, Physica В, 177, 1992, 255.

50. M. I. Bartashevich, Т. Goto and M. Yamaguchi, Field induced magnetic phase transition and magnetostriction in ErCo3, HoCo3 and Nd2Co7 single crystals, JMMM, 111, 1992, 83-89.

51. R. Georges, J. Schweizer and J. K. Yakinthos, Field-Induced Magnetic Transition in ErCo3, J. Phys. Chem. Sol., 36, 1975, 415-419.

52. А. В. Андреев, С. M. Задворкин, Спонтанная магнитострикция в редкоземельных интерметаллических соединениях RCo3, ФММ, 69, 1990, 89-95.

53. С. A. Poldy and К. N. R. Taylor, DOS features near the Fermi level in YT3 T =Ni, Co and Fe, Band structure calculations in Y-Co intermetallics, J. Phys. F: Metal Phys., 2, 1972, L105.

54. L. Jin, W. J. James, R. Lemaire and J. Rhyne, Magnetic structure of DyCo3 J. Less-Comm. Met., 130 1987, 269-273.

55. S. Hirosawa, Y. Nakamura, 59Co NMR study of spin reorientation in RCo3, Journ. Phys. Soc. Jap., 51, 1982, 1162-1165.

56. M. Shimizu, J. Inoue and S. Nagasawa, J. Phys. F: Metal Phys., 14, 1984, 2673.

57. T. Goto, M. I. Bartashevich, H. Aruga Katori, Ye. V. Shcherbakova, A. S. Yermolenko, Field-induced transitions of RCo3 (R = Ho, Er and Tm) in ultrahigh magnetic fields up to 110 T, Physica B, 211, 1995, 131-133.

58. P. F. Ikonomou and J. K. Yakintosh, Magnetic structure of TmCo3, Z. Phys. B, 24, 1976, 77.

59. K. Prokes, M. I. Bartashevich, Magnetic structures in HoCo3 single crystal, The Berlin Neutron Scattering Center (BENSC), Experimental report from 14.01.2001, http://www.hmi.de/bensc/report2000/pdf-files/ef-ll.pdf

60. P. de V. Du Plessis and T. Germishuyse, Electrical resistivity of some RC03 compounds, JMMM, 104-107, 1992, 1349-1350.

61. E. Burzo and D. Seitabla, On the magnetic behaviour of (Gd£BYx2;)Fe3 compounds, Sol. State Comm., 37, 1981, 663-666.

62. T. Goto, M. Yamagichi, T. Kobayashi and I. Yamamoto, High Field Magnetization Of Pseudobinary Compounds Y(Fe, Co, Ni)3 Sol. State Comm., 77, 1991, 867-870.

63. J. J. M. Franse and R. J. Radwanski Magnetic Properties of Binary Rare-Earth 3d-Transition-Metal Intermetallic Compounds, Handbook of Magnetic Materials, Vol. 7, Edited by К. H. J. Buschow, Elsevier Science Publishers B.V., 1993.

64. H. Yoshie, T. Fujii, H. Nagai, A. Tsujimura and Y. Nakamura, Nuclear Magnetic Resonance Study of YCo3 J. of the Phys. Soc. of Japan, 54, 1985, 2725-2729.

65. М. Yamaguchi, I. Yamamoto, Y. Fujita T. Goto and T. Sakakibara, Magnetic moments in the hydrides of YCo3-related compounds, Zeit. Phys. Chem. NF, 163, 1989, 677.

66. H. Yoshie and Y. Nakamura, Nuclear Magnetic Resonance Of RC03 (R: Rare Earh), Hyperfine Interactions, 59, 1990, 423-426.

67. А. Б. Петропавловский «Влияние замещений в d-подсистеме на магнитные свойства интерметаллидов Y2N17 и YNi3»; диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, Москва, 1993.

68. D. Hukin, брит, патент № 1269762, 1972.73. «Рост кристаллов» под ред. К. Гудмана, т. 1, пер. с англ., М., Мир, 1977.

69. Ф. Розбери «Справочник по вакуумной технике и технологии», Энергия, Москва, 1972.

70. М. А. Блохин «Физика рентгеновских лучей», М., ГТТИ, 1957.

71. А. А. Русаков «Рентгенография металлов», М. Атомиздат, 1977, 480 стр.

72. Г. Липсон, Г. Стипл «Интерпретация порошковых рентгенограмм», М., Мир, 1972, 384 стр.

73. Е. Gratz, A. S. Markosyan, Y. Paul-Boncour, A. Hoser, N. Stuesser, I. Yu. Gaidukova, V. Rodimin, Temperature Induced Itinerant Electron

74. Metamagnetism in ErCo3 Studied by Neutron Diffraction, Applied Phys. A., 74, 2002, s698-s700.

75. I. Yu. Gaidukova, A. S. Markosyan, V. E. Rodimin, Temperature-induced metamagnetism in R^Y^Cos (R=Ho, Tb), JMMM, 258-259, 2003, DOI: 10.1016/S0304-8853(02)01156-3

76. I. S. Dubenko, I. Yu. Gaidukova, E. Gratz, K. Inoue, A. S. Markosyan, V. E. Rodimin, Magnetic instability of the Co sublattice in the Но1жУжСо3 system, Physica B, 319, 2002, 21-27.

77. E. Gratz, A. S. Markosyan, I. Yu. Gaidukova, V. E. Rodimin, St. Berger, E. Bauer, H. Michor, Temperature induced itinerant electron metamagnetism in ErCo3 and HoCo3: influence of an external field and pressure, SSC, 120/6-5, 2001, 191-194.

78. N. Ali, I. S. Dubenko, I. Yu. Gaidukova, A. S. Markosyan, Y. E. Rodimin, Temperature induced magnetic instability in the itinerant Co subsystem of the Ег1жУжСо3 compounds, Physica I 283&682, 2000, 696-694.

79. E. В. Щербакова, А. С. Ермоленко, Особенности магнитокристалличе-ской анизотропии соединений RCo3 (R=Tb, Dy), ФММ, 58(6), 1984, 11761182.

80. Е. Gratz and A. S. Markosyan, Physical properties of RCo2 Laves phases, J. Phys.: Condens. Matter, 13, 2001, R385-R413.