Электрические и магнитные свойства новых Кондо-решеток типа RMnXm (R=Ce, Yb; M=3d-переходный элемент, X=Al, Ga) тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

ЛЬВШСЬКИЙ НАЦЮНАЛЬНИЙ УН1ВЕРСИТЕТ 1МЕНПВАНА ФРАНКА

И

Морох1вський Богдан Степанович

\

УДК 535.37; 537.32.

ЕЛЕКТРИЧН1 ТА МАГН1ТН1 ВЛАСТИВОСТ1 НОВИХ КОНДО-ГРАТОК ТИПУ 1Ш„Хт (11=СеДЬ; М=3(1-перех1дннй елемеит; Х=А1,Са)

01.04.13 - физика метагпв

АВТОРЕФЕРАТ

дисертаци на здобуття паукового ступеня кандидата ф1зико-математичних наук

ЛЬВ1В - 2000

Дисертащею е рукопис.

Робота виконана на кафедр1 ф1зики нашвпровщниюв ф1зичного факультету Льв1вського нащонального ушверситету ¡меш1вана Франка Мшктерсгва освети та науки УкраУни

НАУКОВИЙ КЕР1ВНИК: Доктор ф1зико-математичннх наук,

старший науковий сшвробггник, Котерлин Михаиле Дмитрович, доцент Льв1вського нащонального ушвсрситсгу ¡меш 1вана Франка

ОФ1Ц1ЙШ ОПОНЕНТИ: Доктор ф1зико-математичних наук,

професор, Свсчкарьов 1гор Вадимович, професор шстатуту ф!зики низьких температур НацюнальноУ академ1У наук УкраУни, м. Харюв.

Доктор ф1зико-математичних наук, професор, Д1иух Лсошд Дмитрович професор Тернопшьського державного техшчного ушверситету ¡меш1вана Пулюя, м. Тернопшь.

ПРОВ1ДНА УСТАНОВА: КиТвський нацюналышй ушверснтст i\ieni

Тараса Шевчснка Миистерства ocbítii та пауки УкраТни, ф'пичннй факультет, кафедра ф1зики метал!в, м. КиТв

Захист вщбудеться " " ZftUQ.H.Si 2000 р. о годиш на засщанш спещал13ованоУ вченоУ ртда Д~~ 35.051.09 Льв1вського нащонального ушверситету ¡меш1вана Франка за адресою: 79005, м.Львш, вул. Драгоманова, 50, ф1зичний факультет, ауд. №1.

3 дисертащею можна ознайомитися в науков1й б}блютещ Льв1вського нащонального ушверситету ¡меш 1вана Франка, м.Льв1в. вул. Драгоманова, 5.

Автореферат роз1сланий " 16 " СтОПО-С^О. 2000 р.

Вчений секретар

спец1ал1зованоУ вченоУ ради I Uirv.uuj^t«^ • Блажиевський Л.Ф.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. За останш десятир1ччя у фгзищ твердого tí л а сформувався окремий напрям дослщжень нового класу ¡нтерметашчних сполук з ефектами сильних м1желектронних кореляцш, вщомий тд назвами "пажк-i фермюни", "гратки Коидо" та "системи з валентною нестабшыпстю". Дослцдаення явищ цього класу матер1ал1в, що м1стять деяка рщюсноземельш (Ce,Eu,Yb) або актиждш (U,Np) елементи, полягае, головним чином, у вивченш взаемодп частково заповнених локатизованих f-сташ'в м|'ж собою та зонними станами кристатчно1 матриш. При низьких температурах зчеплення mí>k локашзованими та зонними станами може мати багаточастинковий характер i привести до утворення вузького резонансу в rycTimi ста ni в бшя р1вня Фер.\п Ef. Це вщповщае появ! окремо'1 групп носив заряду з великими ефективними масами (~10...]О1 мае вшьного електрона), яга вшголяються аномальною поведшкою основних мапп'тних, теплоф1зичних та транспортних властивостей.

Особливо важливим е те, що в сполуках цього класу, в залежност1 вщ властивостей кристал1чноТ матриш, можуть реал1зувагися дуже p¡3iii ochobhí стани (надпровщник, Д1електрик, зонний магнетик, важка Фсрмь риина та íh.). Це дозволяе розглядати даш системи як ушкальш об'екти для вивчення ряду фундаментальних питань природи кооперативних явищ в ф1зищ твердого тша.

Актуальшсть теми. На даний час не ¡снуе достатнього розумшня природи основного стану в виоце згаданих штерметалнших системах, не розроблена теор1я íx кшьгасного опису tía м1кроскогичному píbhí. Теоретичш модел! при onuci фгзичних властивостей часто використовують суперечлшм припущення вщносно рол1 окремих взаемодш в кр и стал i. Наявний ексиериментальний матер1'ал присвячений переважно вивченню досить вузького кола в1домих систем Кондо, що не дае можливос^ детально прос;пдкувати за впливом ряду характеристичних параметр|'в кристашчно! матрищ на формування основного стану. Особливо недостатня увага придглена визченшо граток Кондо, що мктять магштоактивш d-елементи групп зал1за. Наявшсть в таких системах перехщних 3-с1-елеме>тв дас можлив1'сть здшешовати, шляхом певних атомних замщень, контрольоваж 3míhh ряду важливих параметре енергетичного спектру кристашчноУ матриц! i, вщповщно, характеристик основного стану конд1вських f-uenipiB. Актуальним в цьому напрямку дослщжень е також пошук нових систем Кондо, яю б м1стили добре виражеш мапнтш f-та d-шдгратки pÍ3noí po3MÍpnocT¡. Вивчення таких об'екпв дозволяло б провести бшьш детальний анаш'з ¡снуючих на даний час pÍ3iinx теоретичних пщход1в при onuci систем Коидо, ям щколи груитутоться на д1'аметралыю протилежних вихшних иозишях.

Диссртацшна робота включае результат» досгпджень, якп проводилися у Льв1вському державному ушверситеп ¡меш 1вана Франка зпдно наступних держбюджетних науково-дослшннх poöiT (НДР):

1. НДР 0193U041399 "Електронна будова та (¡нзичш властивосп металопод1бних систем з ефектами локальних М1желектронних кореляцш" ЛДУ iM. Ib. Франка 1989-1993 рр.

2. НДР 0194U022447 "Сильнокорельоваш електронш стан и в кристалах на основ: РЗЕ: ф1зичш властивосп та використання в слектрошпй техшщ." ЛДУ iM. Ib. Франка 1993-1996 рр.

3. НДР 0197U018112 "Локальш кореляци в кристалах з валентно нестабшьними Г(с1)-елементами. Hoei матер1али функшонально! електрошки" ЛДУ iM. 1в. Франка 1996-1999 рр.

Метою даноТ роботи було дocлiдити роль кристагично!' матриц! в формувашп низькотемпературних властивостей нових складних Кондо-систем, що М1стять магштоактивш пщгратки перехщних ЗсЬелеменлв.

Виконаиня роботи_передбачало:

- систематичш дослщження явищ переносу та магштних властивостей сполук систем« R-M-X (R=Ce,Yb та "penepni" елементи La,Y); М - перехщш 3(1-менти групп 3ani3a; X - р-елементи III-' групи) та твердих розчишв на ix ocnoßi;

встановлення взаемозв'язку основних характеристичних парамстр1в ко!ццвських f-uenTpia з властивостями вйиювщних 1м кристашчних матриць (кристал1чш поля pi3noi симетрп, наявшсть низькорозм1рних шдграток з М-елеметтв, магштний стан М-пщграток).

Об'сктом дослщження було явище конд1всько1 компенсацн локашзованих магштних момента (ЛММ) Ce(Yb) в р1зних кристашчних матрицях i його зв'язок з транспортними та магштними властивостями кристал1в. Зразки вибирапися таким чином, щоб мати можливкгть в споршнених кристашчних матрицях cnocrepira™ за ефектами взаемоди кощивських f-ueHTpie з М-шдгратками при наявност! та повнш вщсутност! на d-станах ЛММ.

Наукова новизна результате дослщжень. Вперше проведен! систематичш дослщження низькотемпературних магштних та електричних властивостей граток Кондо типу RM„Xm, яга характеризуються наявшстю широкого .спектру значень ступеня змшування локал1зованих сташв з зонними (стани Ce(Yb) - магштний, конд1вський, пром1жно'1 валентносп), утворенням низькорозм1рних пщграток конд1вських f-netiTpiß та формуванням ефективних ЛММ в пщгратках з М-елеме1тв, що виступають складовими кристашчно! матрищ.

Встановлено, що виникнення сташв з про\пжною валентжстю Ce(Yb) в сиолуках типу RM„Xm зумовлсне, головним чином, зменшенням глибини залягання "невзаемодиочого" f-pieiw в зож провщностк яка при

ф|КСованому елеметгп X, визначаеться переважно процентним вмгстом в сполуш М-елементу та його типом. При цьому, у випадку сиолук з Се, появз члрядовсн нестабильное^ Г-сташв корелюе з формуванням ефективиих ЛММ на М-елементах.

В однакових кристал!чних матрицях зростання порядкового номера Х-елемснту викликас послщовне змешпення (збшьшення) тсмператури Коидо та стабЫзацно магштного стану Се,+ (немапптиого стану УЪ~2'5+ з максимальним змйпуванням флукггуюючнх конф1гурацщ).

На приклад1 Кондо-граток СеМгХх та СеМХа з иизькорозм|'рнммп фрагментами кристал1чно1 структур» показано, що мехашзм формування основного стану не узгоджуеться з теоретичною фазовою д1аграмою Дош'аха, що евщчить про бшьш складну природу явиша в реальних конд(вських системах.

Виявлено, що прифсрм|Увську область еиергетичного спектру широкого кола Кондо-граток можиа модельно представит» двохзонмою схемою з вузьким резонансним тком густини сташв лорсшивськоТ форми. Параметри цього шку (ширина та розташувания вщноено р1вня Ек) для систем з пом1рною зарядовою нестабшьшстю Г-сташв Се (п, ц-яи ~ 0,85. .0,95) суттево залежать вщтемператури.

Остановлено умови руГшування кпаз^частинкового шку густини сташ'в б|ля р1вня Ег в Кондо-гратках, що мютять мапптш М-шдгратки.

Пряктичне значения дисертацшно! роботп визначаеться сукупшстю екатериментальннх даних, одержаних при комплексному дослщжешп низькотемпературних м|'желектронних кореляцш в концентрованих системах Кондо нового типу. Одержат дат' мають принципове значения для розв'язання проблем основного стану та магштних фазових переход|'в п таких системах, застосопносп класичлих модслышх уявлень ф1зики твердого тша до опиеу м1жчастинкових сфекпв.

В роботп показана можливють оттизованого пошуку матер1а-пв з низьким температурним коеф|'щ'еитом опору та високою термоелектричною чутливютю.

Особнстнй пиесок*. В роботах, як! покладено в основу дисертацн, автору належать результата 1 висновки стосовно положень, що представляют!, наукову новизну.

Особисто змоитоваио установки 1 проведено вмпркжшня кшетичних та магштних характеристик в температурному штервал]' (4,2-300)К.

Автором також проводилнея роботи по синтезу гидпловш зрашв до ви,\нрювань, обробш експериментллмжх даних та грлфмшого ¡х представления.

Апробащя результат!» днсергацн, Материиш дисерт.шп доповиаалися та обговорювалпея на V Веесоюзнш копференцн з

кристалох|'мп штерметал1чних сполук (Jlteiu, 1989р.); V Всесоюзнш конференци з фгзики i xiNiii рщюсноземелышх натвпровщнимв (Саратов, 1990р.); VIII Всесоюзному симпоз1ум1 з актуальних проблем ф1зикн i xiwii р|'дк|'сноземельних сполук (Апатит», 1991р.); V конференци з фпикп низьких температур (Казань, 1992р.); МЬкиаролнш конференци з фвики перехщннх метал ¡в (Дармштадг, 1992р.); Укра'шсько-французькому симпоз1у\п "Тверде тгпо: наукова ¡ндустр1я" (Львш, 1993р.); М1жнаролнш конференци з магнетизму (Варшава, 1994р.); М1жнароджй конференш! з кристалох1мй штерметатчних сполук (Льв1в, 1999р.).

ПублЕкацм. Результата дисертацн опублковаш у 18 статтях наукових журнашв, 10 мате pi ал ах i тезах ко афера mi й, 1 препршпт та 2 авторських евщоцтвах. Основш з цих публ|'кацш наведено в к1нщ' автореферату.

Структура робот». Днсерташя складасться ¡з встуну, пяти роздш1в, висновюв i списку цитовано! лЬературн. Робота викладена на 150 стор1Нках, включае 56 рисункт i список лператури, що м1стнть 183 джерела.

ОСНОВНИЙ3MICTРОКОТИ

У ncryni обгрунтована актуальшеть теми, поставлена мега роботи та визначено завдання доонджень, показаш наукова новизна i практична цнннсть одержаних результате, представлений перелк науково-дослцших pooir, виконавцем яких був автор i результати яких включено до роботи.

У першому роздип розглядаються ocuoBHi, ¡снуюч1 на ланий час, модел1 електронно! будови метапопод1бних систем з ефектами валентно! нестабшьност1 РЗЕ. Показана песпроможшсть традицшних метод1в зонного розрахунку спектру пояснити надто BiicoKi значения ефектнвно! масн носив заряду, яю спостер1гаються експерименталыю. Проанал1зовано роботи, в яких oimcatii умоин утворення резонансного максимуму в густиш сташв на pieiii Ер. Розглянуто ряд модельних наближень, яю поясшоють особливосп формування енергетичиого спектру при переход! вщ переважно сппювоУ нестабшьност1 (системи Кондо) до стану ¡з добре вираженими зарядовыми флуктуашями (системи з промЬкною валентшетю РЗЕ). Вказано, то найбшьш поширеннм е припутення про домжуючу роль спйювих флуктуацш у формуванж енергетичиого спектру та основних фгзичних властивостей систем з валентно нсстабшьними РЗЕ. Найчастиие при onuci основного стану таких систем внкористовуеться модель Дошаха. На ocimiii проведеного аншпзу зроблено висновок, що теоретично задача основного стану систем з валентно нестаишьними РЗЕ ще не розв'язана.

Особлива увага придшена питаниям взаемозв'язку режимж сш'новоУ (зарядовоУ) нестабшьносп Се з спектральними, електричними та магнптшмн властивостями сполук на ного ocimni. Уточнено задач! дослшження.

У друго-му рохшп описаж умови т;1 метол и синтезу досшджувапих сполук, способи контролю фазового складу та кикроструктури поверхш. Описана також методика одержамня зразкмв для вмнрговапь кшетичних та магштних властивостсй. Вкакпн основж дет<ггм методики досл|'джсння темпсратурних залежностей косфниснта диференшальноУ термо-е.р.с. (Б), питомого електроопору (р) та мапитиот сприйнятливостз х(Т) в температурному }итервал{ 4,2-=-500 К.

Дана оцжка похибок вим1рюваш>.

У третьему роздш напедеш результата доашдження сполук потрпшоГ системи Се-Со-Х (Х=А1,Оа) з точки зору впливу особливостей кристатчиоТ структур и та атомних характеристик компонент на формування основного стану Кондо-граток Се. Для доашдження вибиралися сполуки, якт збср1гають структурпий тип при залпж одного та бшьше компонент на спорщнений 1 м] стать ждгратки Се у вигляд! низькорозм1рних фрагмент! кристально! структуры (СеСогХц, СеСоХ| та СеСоХ).

О

'А

3 -

__I__: иш 11_:. л

10 ¡00 Т, К

о

о.

100

200

Т, К'

Рис.1 Температурж залежност! питомого елекггроопору (р) КСоАЬ { К-Се (1), Ьа (2)). На в ста в ш наведена мапмтпа складом електроопору(р,п)СеСоА1.1 в логарифм1чнж жкал1 температур.

На приклаш сполук СсСо2А1х та СеСоА1.1 (оршрошнчна кристал1чна структура) вивчеш шпькотемпературн! властивостт мапптних

Кондо-граток з квазюдномфпими та лвом1рнмми тдгратками Сс.вьдповщно. На основ1 аналгзу запежностей р(Т), та 5(Т) для даних сполук та '¿\ структурних аналопв з Ьа показано, то тдграткн Се знаходяться в кристал1чних матрицяч з подобии ми зонними та локалышми характеристиками енергетичного спектру. Зростання виьирносп шдгратки Се приводить до зменшення кондшськоГ вчасмоди Р-стажв з зошшми (Тк"т -17 К та 5 К для СеСо.А1« та СеСоЛЦ в обласп Т>50 К) та появи магштного впорядкування недоекранованих ЛММ Се (Тмг12 К для СеСоА].)). Як видно з рис.1 магштна складова елект}юопору р„„ знайдеиа вщшманням р аналога ЬаСоАЦ, виявляе додатковии високотемпературнин максимум при Т«100К та лннйну область спаду р,„ при Т>100К в логарифм1чнш шкал1 температур. Ця обставина вказуе на наявш'сть характерного конд1вського роземння носив заряду на розщеплених в кристальному пол1 4Г-тдр1вняхСе. Сгнвставления кривих р(Т), х(Т) та 5(Т) показуе на чпку корелящю !'х екстремумт, викликаних магш'тним переходом при Т=12К. Деякий ршт опору в облает! Тм=121< може свшчнти про часткову д1електризашю спектру ¡ндуковану несшвлпрним ангиферомагштним порядком в пщгратщ Се.

Особливоеи формування основного стану Кондб-гратки СеСо:Л1ц (слабка конд1вська компенсацш ЛММ Се при низьких температурах, високе орбггальнс виродження Р-статв, близькють до критично! точки на д\аграм1 Дожаха) анашзуються на основ1 доошджень електричних та магжтних властнвостей твердих розчишв замицепня ЬахСе^хСогА^ (0<Х<1,0) 1

СсСо2(Л1,.хОах)* (0<х<0,5).

У внпадку сполук типу СеСоХ маемо приклад структури з сильно взаемодпочими двома трьохм1рними шдграгками: Се (в стаж валентно! нестабильноеп) та магштоактивного Со (ц^у = 2,0).11(). Показано, то взаемодт тдграток Со та Се приводить до значного розмитгя кореляшнноТ гонкоУ структур» гусгини ста I пн б ¡ля р1вня Ферм!. Це с прямим пштвердженням сжновоУ природи збурень прифермкпськоУ ооласп енергетичного спектру в режим|' валентних флуктуацж.

На основ1 проведених дослщжень електричних та магжтних властивостнй сполук системи Се-Со-Х (Х=А1,Оа) вивчена роль с1- та р-елемент1в в формуванш електронних станш Се. Виявлено, то зарядова нестабшыпсть Се ншшоеться с!-елементом I проявляемся при вмкп' и сполуж не менше 30% атоинв Со, незалежно вщ типу р-елемента. Атоми Оа, в поршнянж з А1, бшыи ефективно послаблюють в сполуках СсСо„Хш конд!вськ1 взаемодп Г-центр1в з електроиами провщнос™ та стабиизуютъ магнптп стан и Се,+. В сполуках з пром|'жною валентжепо Се к'обапьт екн мапптоактивним з ЛММ (ц.-п » 2,0ц»), то дещо перевишу с його значения в мсталишому Со

У четвертому роздЫ розглянуто електричш та магжтш властивосп сполук типу Се№Хт (Х=А1, Оа). Дослщжеш особливосп (|)ормування кошипських властивоетен пщграгок Се в такш систем! на приклад! чотирьох сполук: Се№Сао.5, СеЫЮа, СеМваг та СеМОа*. Показано, що зарядова нестабшынсть Се ишиюеться перехшпим 3(1-елементом (№), якого, як ( в сполуках системи Се-Со-Х, повинно бути не менше 30% ат. Подальше зростання вм1сту С а в цих сполуках веде до змши режиму флуктуацш в1д валентних до переважно епшових. Граничною в цьому ряд! е сполука Се№Оа з фазовим переходом з1 змшою валентносп в напрямку стабшзацн магштного стану Сеи при Т>300К. СеЬПОаз проявлж; властивосп Кондо-гратки з особливо рг'зкою тонкою структурою gi в приферкневськш обласп енергетичного спектру. Вщсутшсть аномальних

Т, К

Рис.2 Температуры! залежное™ термо-е.р.с. твердого розчнну Сс^х^ахИЮл^. Па вставщ наведен! температурш запежносп мапптноУ склалово! електроопору (рт).

внеекзв в коефщ1енти переносу для сполуки СеЬШа? говорить про аабим'зацио магнпного стану Се1+. Анаш'з основного стану Кондо-гратки СеЫЮад проведено на основ1 дослщжень електричних та магштних иластивостей твердих розчишв замштення СехЬа^хМОаг (0<Х<1,0) та СеЬШаг-уСеу (0<У<0,3). Температурно нечутливе положения аномально вузького шку 8(Т) до замндення Се->Ьа, (рис.2) вказуг на домшуючу роль однонентрового мехашзму розсиовання носив заряду на 4Г-станах Се. Така

О)

поведшка 5(Т) характерна для церквих систем з сумгсним проявом ефекпв обмишоУ кошивськоУ взасмодм та кристашчного поля I узгоджупься з поведшкою рт(1пТ) (рис.3, наявшеть двох лннйних дшянок). Використовуючи опис р(Т) в Кондо-системах з ефектами криста;ичного поля, ¡з сгпввщношспня косфниенпв нахилу лппйних дшянок було визначено, що кратшеть виродження основного стану Сси становить 4 вже при Т~40К. 3 високо- та низькотемпературноТ областей залежносп /(Т), рис.4., визначеш характеристичш температури Кондо (Тк11г=16К 1 Тк',г«2К), зроблена оцшка величин розщеплення 4Р-р1вня кристагичним полем (Д,«30...40 К; Д2«70...80 К для 1-го та 2-го збурених Г-шдр1вшв, вщповщио). Таким чином показано, що тонка та температурио стабшьна структура корелящйноУ природи ё|(Е) в Се№Оа2 викликана сумкним впливом конд1всько1 взаемодп та кристашчного поля. Ширина гика g|{E) (Г=2(Ж) та особливо гострий ш'к тсрмо-е.р.с. (5тм«52 мкВ/К при '1=15К) визпачаються

Рис.3 Темиературш залсжносл мапптноУ складовоУ слсктроопору (рш)

твердого розчину СехЬа^хИЮаг в логарифм1чнш шкал:' температур.

невним сшввцшошенням М1Ж енерпями збурених крисгашчним полем 41-ш'дршш'в характсристичними температурами Кондо (Тк1-1 « А| ~Тк"' «Д2), яю' вщиовшають найефектившшому кондшському розспованню носик заряду з переворотом сгпна на переходах 10> —> | 1> I значному його послаблению па переходах I 0> —> | 2>.

20

15

, I »

1.0 (•) 0.9 (ж ) 0.8 (▼) 0.7 (■ ) 0.5 (♦)

100

т, К

Рис.4 Температуры; залежност! оберненоУ величин» мапнтноУ сприйнятливо-ст1 (х"') твердого розчину СехЬа|_х№Са2. Прямими линями показано вщхилення вщ закону Кюр1-Вейса.

30 о

Виявлена нова низькорозм|'рна Кондо-гратка Се№Л1.1, для якоУ характерне неновне екранування ЛММ Се3+ при високих значениях температури Кондо, ст'вм1рних ¡з загапьним розщепленням Г-ршня Сеи в кристашчному полг

У п'ятому роздЫ показано зв'язок природи основного стану Се(УЬ) в концентрованих Кондо-системах з особливостями енергетичного спектру вапентних електрошв кристал|'чноУ матриш. Для цього доогнджено сполуки таких тишв: СеИегХ» (Х=А1,Са), ЯМ^Мк (М=Мп,Ре,Си; К=Се,УЬ,Ьа,У) та Я№„1пП1 ^Се.Ш.УЪ).

Враховуючи, що сполуки СеРе^Хц кристашзуються в одному структурному тнш з Коидо-граткою СеСо2Д18, проведено пор1вняльний апашз електричних та магш'тних характеристик цих сполук та Ух аналоп'в. Виявлено ряд особливостей поведшки коефннеипв переносу (Я,р), як1 шд пов'язуватн з проявом ш'дгратки Ре. Показано, що зампцення Со—>Ре призводить до значного зростання характеристично!' температури Тк та появи зарядовоУ нестабтьноеп Се. Дос;и'дження твердого розчину ('е1-С2.\( 'охЛ!* показали пачшисп. фазового переходу и шдграии Се при

склад! x>l,0 3i стану з иром1жною валснтшстю до стану Копдо-граткп. Даш вим|'рювань CeLm-cneKTpiB поглинання для CexLai.xFc2Ga>< та стшюсть T.Smj\ до атомних замщень вказуюгь на зарядову стабшыпсть валентного стану Се та прояв на явищах переносу ефектш Кондо-гратки з високою температурою KorepeirniocTi cninoBiix флуктуацш Ttüi~T.smm ~ 20К. Анашзуючн температурш залежност! мапптно! сприйнятливост! х для сполук RFe^AIx (R=Ce,La), було виявлено наявшсть двох магштннх пщграток в LaFciAl* та трьох в CeFc2Als. 1снування на атомах Fe J1MM з |Л.1Г~1-4ц» та i'x мапнтнс впорядкування (Tn »60K) не викликае суттсво! зм1пи тонко! структур» густини сташв б ¡л я Ef, на вцшшу вщ сполук типу СсСоХ. Цс ямсно означаг, що переходи f-c-типу з переворотом спша зджсшоються персважно в aoiii р-типу Х-компоненти.

Е, еВ К, еВ

Рис.5 PeiiTrciiiBCbKi Ьш-спектри поглинання Се i Yb та i'x часткош розклади наскладон! в сполуках RMjAlx.

IIa приклад! ряду сполук RM4AJS тетрагонально! структур» тину ThMni2 вивчеш умови формування електронних сташв Се та Yb в залежност! ui;i иерехщного елемента. Показано, що зменшенпя засслсносп' Зс1-оболонки в ряд! Cu-»Fc->Mn ницпое в RM4AIK появу сташв валентно! нестабшьиост! Се та стабинзуе магштний стан Yb,+. Слабкий прояв на залежностях р(Т) та S(T) особливостей, зумовлених валентною нестабшынстю Се та Yb можна пояснити ¡снуванням в структур! RM.iAls просторових каркаав з aroMiii AI, якт формують окрему трупу вшьних носим заряду Зр(А1)-зопи. Ця особлшнсть кристигнчно!' структур» приводи! ь до

шунтувания впеску в розаяння носив заряду на Р-центрах прош'дшстю електрошв Зр-зони.

За допомогою рентгешвських Ьщ - спектр1в поглинання дослщжено валентний стан Се(УЬ) в сполуках та КШгц. 3 метою

вивчсння рол1 с!-перехщного елемента в формуванш елсктронних сташв тдграток Се(УЬ) внбиралися сполуки з граничним вмгстом № та Гп при незмнннй коицентрацп Л-елсмснта. На основ! анал1зу заселсностей Г-стант Се (УЬ) та залежностей р(Т), 5(Т), %(Т) для деяких снолук показано, що зростання вмюту № при фшсованому процентному вмют1 R-cлeмeнтa веде до стабинзацн магштного стану УЬ + (М'4~ 1.0) та стану насинено! валентности Се (пг+~0.7). При мппмальному вмют]' N1 реашзуеться конд1вський магнгппш стан Се (пг+~1.0, ТК1Л~0 К) та режим резонансу флуктуюючнх кош|лгурашй УЬ (пс+ » 0.4, Тк ~ ~10' К). При цьому виявлено, що обидна граничш випадки змшування електронних кош|пгурашй (насичена валет тпсть Се та резонанс флуктуюючнх топф!гурац!И УЬ) суттево В1др1'зняються шд пинадку нро\нжного характеру зм|'шування конф1гурацш з точки зору 1х впливу на гранспорпп пластнвосп кристшпв.

О 100 200 .400

т. к

Рис.б Темпсратурш залежностт впеску (-стажв в загальну тсрмо-е.р с, сполуктипу СсМ„Х„,. Суцшышмн линями зображеж розрахун-ков1 кршй.

У kiiuii роздьпу проведений аиал!з температурных залежностеп коефийентш електропереносу з використанням зонноТ модел1 Кондо-сиетем типу СеМ„Хт. Показано, що приферм1евську область електронного спектру такого класу Marepiiuiia можна модельно представити двохзонною схемою з резонансним п1ком густини сташв gt(E) лоренщвськоУ форми. На термо-е.р.с. це проявляешься екстремалыюю залежшстю, що добре описуеться сш'ввщношенням S~aT/(bT2+c) (рис.6). Для Кондо-граток з низькими температурами Кондо, значно меншими вщ енергп розщеплення 4Г-р1вня кристалшним полем (Тк1т « Ди). максимум S вистунае характеристикою

Т, К

Рис.7 Темперагурш залежност1 термо-е.р.с. (S), валентного стану Се (VCc) та ширкни кваз1частинкового шку густини сташв бшя ртня Фер\и (Г,) для Cei.xPrxMibSii.

кристал1чного поля (Т.чтах а0,5Д|). У випадку систем з валентною псстабшынстю ТКпт « 0,6Тк I шдхилсння експеримепгальних залсжностей Б(Т) В1Д закону 5~аТ/(ЬТ2+с) внзначаеться характером залежносп ТК(Т). Для твердого розчину Се|.чРгчМп2512 з особливо чтеим вщхиленням поведшки термо-е.р.с. вщ закону а'Г/(ЬТ2+с) було проведено узгодження експерименталышх кривих Б(Т) з тсоретичними, враховуючн залежшеть Тк(Т), (рис.7). Результата дослщжень палентносп Се в СеМптБ^ метолом зеуву рентгешвськоУ Кр -лнш та розраховаис значения ширинн кваз1частинкового ш'ку густили сташв, при якш здшснсне узгодження залежностей р(Т), дають змогу стверджувати про зменшенпя Тк для Сс^Рг^Мп^г в силу зростання температури.

Експсримснталыю пштверджено, то шляхом варповання процеитним вмютом М- та Х- елсмснл'в в сполуках типу ЯМ„Хт можна одержати стани Се та УЬ з параметрами валснтпоУ нестабшыюст!, шо змппоються в найбшып широких межах. Змша режиму флюктуашй на Г-центрах в таких егюлуках викпнкас вУдиовшну трансформацпо кваз!частинкового ш'ку густини сташв бшя рпшя Ек ¡, виповшмо, принципово впливае на основш електронш властивостз матер|'ашв. Встановлений функцюнальпий зв'язок "склад - стан валентноУ нестаб1лыюст1 - властнв|'сть" дозволяе пор1вняно легко опттпзувати транспорты!-характеристики таких матер!ашв. Це дало можлип1еть прогнозовано здшешовати трансформацпо тонкоУ структурп густини сташв в приферм1евсью'й обласп та, вщповщно, основних електронних властивостей матер1ашв I було використано при одержанш матер1аш'в з рекордно низькими значениями температурного коефпп'гн гу опору та високою термоелектрнчною ефектившетю.

ВНСНОВКИ

1. Вперше проведеш систематичш дослшження слектрпчннх тп магштних властивостей сполук снстеми К-М-Х (К-Се,УЬ; М=Ре,Со,№; Х=А1,Оа,1п), шо дало можлив1сть бшьш глибоко зрозумгги мехашзм впливу мапптоактивноУ кристагичноУ матриш на формування кои/ивських сташв !\-шдгратки.

2. Виявлено, шо ступшь зарядовоУ нестабш.шст! Се {»¡дхилення заселеносл Г-сташв вщ ш'лочнселыюУ (П|<1.0), висою значения характеристично! температури (Тк - IО2 10' К)| в сполуках СеМ„Хм, внзначаеться переважно електронною кот|игуращ'ею М-слемента та його процентпим вмютом. При цьому, в запежност!' в1д сшнвшношення м1ж вмютом М- та Х- компонент в сполуш I впхшноУ заселсностз .1с1-оболонки М-елемеита, може реашзуватися магштний або немагштннй стан М-шдгратки

3. Вивчеж особливост1 ([юрмувания електронних CTaniß Се та Yb в однакових кристашчних матрицах типу RM„Xm. Показано, що граничш випадки змниування флуктуюючих конф1гуращй (режими насичено! валентности Се та резонансу конф1гурацж Yb2>*->Yb1+) суттево в1др1зняються в!д пром|жного характеру змниування при розгляд1 ix вплпву на коефнненти електропереносу та магштш властивостг

4. Знайдеж ocnoBHi характеристичж параметр» новоТ гратки Кондо CeNiGai з сильним орбггальним виродженням. Показано, що особливо р!зка та температурно-стабшьна тонка структура в густши стажв бшя р1вня Ферм! зумовлена сшвпадшням температури Кондо-домшки для орбггально виродженого 4f-CTany Се (ТКИ1) з енерпею Г™ збуреного кристатчним полем f-nwpiBiw (Aci-i) при нехтуюче малому розсновашн носив заряду з переворотом cnina внаслшок переход|'в на 2-п f-шдртень (Дстг). прямому виконуеться сишвщношення Тк'л « Ден ~ Тк"1 « Ада-

5. Впершс досхиджено особливост! утворення основного стану низькорозм1рних магжтних граток Кондо СеСо2Х8 та СеМХ) (M=Co,Ni; X=Al,Ga). Вщсугнють ломаного екранування локагнзованого магш'тного моменту основного стану Се,+, поява магжтного порядку в Се-шдгратш та неферм1-р1динна поведшка електроопору i магжтно! сприйнятлнвост1 при температурах T<TkLT свщчить про бшьш складний мехаж'зм формуванпя основного стану граток Кондо ш'ж це передбачаеться фазовою д1аграмою Дожаха.

6. На приклад1 сполук СеСоХ (X=Al,Ga) показано, що взаемод1я мапптоактивно! ждгратки Со з пщграткою Се може привести до повпого розмигтя кореляцншсн тонко? структури бшя ртня Ферм1, викликаио? валентною нестабтьжстю Се. Цевказуе на те, то в режим! валенrnoi нестабшыюсп збурення приферм1свських стажв зони провщностт зумовлсне переважно сгмновими флуктуащями на f-центрах.

7. Виявлено, що в сполуках типу CeFeiX» (X=Al,Ga) з квазюдномфними (Fe) та кошнвськими (Се) ш'дгратками мае Miene адитивннй прояв на коефщентах переносу ефекпв взаемодм приферм1свськнх зонних CTaiiiß ¡з зарядово нестабжышми 4Г-станами та мапптною ждграткою з переходом "порядок-безпорядок". Вщсутжсгь ефекту "замороження" cninoBnx флуктуацж, як це мае wicue в сполуках типу СеСоХ, поясшоеться струкгурннми особливостями кристал1чно! матрищ.

8. Показано, що прифермквську область енергетичного спектру для Смльжост i Кондо-граток типу ЯМ„ХШ можна моделыю прсдставити двозонною схемою з вузьким температурно-незалежним жком густипи стам1в лореншвськоУ форми. Суттева температурка залежжсгь napavierpia такого riiKy спостер1гаеться тшьки в режим1 noMipiioi зарядово? нестабшыюсп Сс {п, ц-,и, ~ 0.8...0.9, 10:<Тк<ЮК|, що поясшигп.ся вилмиом на oGMiHiiy .s(d)-f-B3a(:Mo;iiio коливань гратки.

9. Виявлеиа принцппова можлив1сть використання явища валентно!' нестабильности Се та Yb при одержанш матер1ал1в з оптималышми резистивними та термоелектричними характеристиками.

СПИСОК ОПУБЛ1КОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦН

1. Котерлин М.Д., Бабич О.И., Морохивский Б.С., Лень Г.Я., Лупив Р.В., Гринь Ю.Н. Особенности влияния валентно-нестабильного состояния церия на термо-э.д.с. систем Ce(NixCoi.x)2, Ce(GayNi|.y)5 Н ФТТ- 1987,-Т.29, N3,- С.943-946.

2. Котерлин М.Д., Бабич О.И., Морохивский Б.С., Конык М.Б., Луцив Р.В. Фермиевские возбуждения зоны проводимости в соединениях типа CeNi\ с промежуточной валентностью церия //ФТТ.-1988.-Т.30, N5,-С.1512-1515.

3. Котерлин М.Д., MopoxiBCbKufi Б.С., Гринь Ю.М., С1чевич О.М. Нов1 Кондо-гратки церпо в сполуках системн Ce-Ni(Co)-Ga(Al) // Доп. АН УРСР. A.-1988.-N11.-C.70-73.

4. Сичевич О.М., Гринь Ю.М., Ярмолюк Я.П., Котерлин М.Д., Морохивский Б.С. Кристаллическая структура и электрические свойства соединений RCoGa, (R=Ce,Pr,Nd)//Металлофизика,- 1988.-Т.10, N3.-C.116-117.

5. Котерлин М.Д., Морохивский Б.С., Гринь Ю.Н. Новая Кондо-решетка CeNiGa2 с сильным орбитальным вырождением // ФТТ.- 1988.-Т.30, N3,- С.893-894.

6. Котерлин М.Д., Морохивский Б.С., Лапунова Р.В., Сичевич О.М. Новые Кондо-решетки типа CeM2Xs (M=Fe,Co; X=AI,Ga) // ФТТ.-1989.-Т.31, N10,- С.297-299.

7. Левин Е.М., Морохивский Б.С. Состояния промежуточной валентности и Кондо-системы церия в кристаллах CeMniXi с магнитным порядком // ФТТ.-1990.-Т.32, N1.-C. 116-121.

8. Котерлин М.Д., Морох1вський Б.С., Щерба 1.Д., Каличак Я.М., Луц1в Р.В. Особливосп м1желекронних кореляц1й в метал1чних системах з валентно нестабшьним ¡терб1ем //Доп. АН УРСР.-1991.-Ы5,- С.65-67.

9. Котерлин М.Д., Морохивский Б.С., Сыса Л.В., Бабич Н.Г., Захаренко Н.И., Калычак Я.М. Особенности элек-цх)нного фазового перехода с изменением валентности Yb в YblnCU) //ФТТ.-1992.-Т.34, N9,-С.2940-2942.

10. Котерлин М.Д., Морох|'вський Б.С., Щерба 1.Д., Герман Н.В. Елек-rponni стапи Се та Yb i явища переносу в сполуках типу RMjAls (M=Mn, Fe, Си)//УФЖ.-1993.-Т.38, N2.-С.262-267.

11. Котерлип М.Д., Морохивский Б.С., Бабич Н.Г., 3axapetiKo П.И., Кушнир А.П., Кутянскнй P.P. О сосуществовании магнитных и копдовских подрешеток в соединениях СеМХ (M=Co,Ni; X=AI,Ga) // ФТТ.-1994.-Т.36, N3.-C.842-845.

12. Когсрлин М.Д., Морох1вський Б.С., Бабич М.Г., Захаренко M.I., Гринь 10.М. Ефекти криста/нчного поля в иовш кондо-гратщ' CeNiGai // УФЖ,- 1994,- Т.39., N2.-C. 168-174.

13. Котерлин М.Д., Морохивский Б.С., Бабич Н.Г., Захаренко Н И. Особец-ности магнитных свойств новой кондо-решетки СеРегА^ // ФТТ,-1994.-Т.36, N4.-C.1162-1165.

14. Котерлин М.Д., Морохивский Б.С., Бабич Н.Г., Захаренко Н.И., Кутянский P.P. Электрические и магнитные свойства Кондо-решетки СеСо2А18//ФТТ.-1996.-Т.38, N12.-C.3531-3534.

15. Котерлин М.Д., Морохивский Б.С., Кутянский P.P., Бабич Н.Г., Захаренко Н.И. Особенности магнитных свойств СеСоАЦ // ФТТ.-1997,-Т.39, N3,- С.525-526.

16. Котерлин М.Д., Морохивский Б.С., Кутянский P.P., Щерба И.Д., Капычак Я.М. Элекгрические и магнитные свойства CeNjIn с ненасыщенной валентностью Се //ФТТ.-1998.-Т.41, N11 .С. 1918-1921.

17. Котерлин М.Д., Морохивский Б.С., Щерба И.Д., Капычак Я.М. Особенности транспортных и магнитных свойств соединений YbNi^In и YbNiliij с валентно неустойчивым Yb // ФТТ.-1999.-Т.41, N 11 .-С. 1918-1921.

18. Koterlyn M.D., Morokhivski B.S., Shcherba I.D., Zivkovic L.J., Lutsiv R.V. New Ce Kondo lattices in compounds of the system Ce-Ni(Co)-Ga(AI) // J.Serb. Chein. Soc.-1991.-V.56, N12.-P.733-737.

19. Бабич О.И., Котерлин М.Д., Луцив Р.В., Морохивский Б.С., Ясницкий Р.И. Резистнвный сплав на основе никеля / Авт. свид. СССР N1431351 от 29.10.86.

20. Бабич О.И., Гринь Ю.Н., Котерлин М.Д., Луцив Р.В., Морохивский Б.С., Ясницкий Р.И. Сплав на основе галлия /Авт. свид. СССР N1535051 от 08.09.89.

21. Котерлин М.Д., Бабич О.И., Морохивский Б.С. Николаев Л.И., ЮщенкоА.В. Устойчивость спектра фермиевских возбуждений зоны проводимости соединений типа СеМч с промежуточной валентностью церия. -К.-1987.-29 с. (Препр. / АН СССР. Ин-т металлофизики).

22. Koterlyn М., Morokhivskyi В., Kutjanskyi R. Effects of со existens of magnetic (M) and Kondo (Ce) sublattices in CeMX and CeM2X« (M=Fe,Co,Ni; X=Al,Ga) compounds /Internat. Con f. on Magn. Abstr. Warstiw. 1994.-P.

23. M. Koterlyn, B. Morokhivs'kyi, R. Kutjans'kyi Magnetic origin of state density peculiareties near the Fermi level in Ce compounds // European Magnolie

Materials and Applications Conference, Abstr. Wien Austria, September, 1995,-P.370.

24. Koterlyn M.D., Morokhivski B.S., Babych N.G., Grin Yu.M. New dence-kondo compounds СеМ2Хц (M=Fe,Co; X=Al,Ga) with magnetic M-sublattice //Internat, conf. on the physics of transition metals. Germany, Darmstadt, 1992.C.16.

АНОТАЦШ

MopoxiDCbKiiH Б.С. Електричш та магштш властивос™ нових Кондо-граток типу RM,,Xra (R=Ce,Yb; M=3d-nepexifliHHi елемент; X=AI,Ga). -Рукопис.

Дисертащя на здобутгя паукового ступеня кандидата фпико-математич-них наук за спещалынстю 01.04.13 - ф!зика метал!в. - Лшвськнй нацюнальний ужверситет, Льв1в, 2000.

На ocnoßi проведених систематичних дослщжень електричних та магштних властивостей сполук системи R-M-X (R=Ce,Yb; M=Fe,Co,Ni; X=Al,Ga,In), BiiB4eni мехашзми впливу р|'зних тнтв кристашчних матриць (крнсташчш поля pi3iioi симетрн, низькорозм1рш шдгратки з М-елеметтв, магнтшй стан М-пщграток) на формування коид{вських сташв R-гидгратки.

Показано, що приферм!евську область енергетичного спектру для oLtliiiocti Кондо-граток типу RMnXro можна модельно представитн двохзонною схемою з вузьким температурно-незалежним niKOM густини сташв лоренщвськоТ форми.

Показана принципова можлив!сть використання явища валентно! iiecTaöüibiiocTi Се та Yb при одержан Iii Marepiajim з оптималышми резнстивними та термоелектричними характеристиками.

Ключов)' слова: м1желектронш кореляци, валентна нестабшыпсть, тонка структура, Кондо-система, густила сташв, прифермивська область, магнтшй момент, мапнтна шдгратка, кшетичш характеристики, cniHoei флуктуацш.

АННОТАЦИЯ

Морохивский Б.С. Электрические и магнитные свойства новых Кондо-решеток типа RMnXm (R=Ce,Yb; M=3d-nepexoflnofl элемент; X=Al,Ga). - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математичес-ких наук по специальности 01.04.13-физика металлов. -Львовский национальный университет, Львов, 2000.

Па основе проведенных систематических исследований электрических и магнитных свойств соединений системы R-M-X (R=Ce,Yb. М I'e,Co,Ni; X=Al,Ga,In), изучены механизмы влияния различных типов кристаллических матриц (кристаллические поля различной симметрии,

низкоразмерные подрешетки М-элемеитов, магнитное состояние М-подрешеток) на формирование кондовских состояний R-подрешетки.

Показано, что прифермиевскую область энергетического спектра для большенства Кондо-решсток типа RM„Xm можно моделыю представить двохзонной схемой с узким темпсратурно-незвисимым пиком плотности состояний лорснцовои формы.

Показана принципиальная возможность использования явления валентной нестабильности Се и Yb при получении материалов с оптимальными резистив-пымп и термоэлектрическими характеристиками.

Ключевые слова: межэлсктронные корреляции, валентная нестабильность, тонкая структура, Кондо-система, плотность состояний, прифермиевская область, магнитный момент, магнитная подрешетка, кинетические характеристики, спиновые флуктуации.

SUMMARY

Morokbivs''cyi B.S. Electrical and magnetical properties of new Kondo-lattices of RMnXm type (R=Ce, Yb; M=3d - transition element; X=Al,Ga) -Manuscript.

Thesis on obtaining of the scientific degree of candidate of Physical and Mathematical Sciences; speciality 01.04.13 - physics of metals.- Lviv National University, Lviv,2000.

The mechanisms of influence of various crystal matrices types (crystal fields of various symmetry, lowdimension sublattices of M-elements, magnetic state of M-sublattices) on R-sublattice kondo states formation have been studied on the base of systematic investigations of electric and magnetic properties of compounds in R-M-X system (R=Ce, Yb; M=Fe, Co.Ni; X=A!,Ga,In).

It has been shown, that Ce valence unstability in Ce M„Xnl compounds is determined dominantly by percentage contents of M-elcment and electronic configuration.

The peculiarities of Ce and Yb electronic states in the same crystal matrices of RM„XIU type have been studied. Based on the analysis of the f-states population of Ce(Yb) and the dependences p(T), S(T), x(T) for compounds of the RNi^In and RNila* type, it was shown that the increase of Ni contcnt under fixed R-element percentage leads to stabilization of Yb,+ magnetic state (nr = 1,0) and the saturated valency state of Ce (n, = 0,7). When the Ni content is minimal, the Kondo magnetic state of Ce (ii| = 1,0) and the mode of Yb fluctuating configurations resonance (П| ~ 0,4, Тк ~ lO'K) take place. It has been shown, that boundary cases of fluctuating configuration mixture (the regime of saturated f'c valence and resonance of Yb 2t <-> Yb1f configuration) are suffcicntly different from intermediate mixture charactcr, when considering their influence on coefficients of the transport and magnetic properties.

The basic characteristic parameters of new CeNiGa2 Kondo lattice with strong orbital degeneration have been found. It is shown that anomalies in behavior of kinetic characteristics as well as sharp temperature-stable fine structure in the density of states near the Fermi level are caused by coincidence of the Kondo temperature for the orbitally degenerated 4f-state of Ce with the energy of the 1st f-sublevel excited by crystal field. The energy of the second excited f-sublevel is considerably larger. This results in resonant scattering of the charge carriers with spin flip at the 1st f-sublevel split by the crystal field when the scattering due to transitions on the 2nd sub-level is negligible small.

For the first time the peculiarities of basic state creation in lowdimension CeCo2X8 and CeMX4 (M=Co,Ni;X=Al,Ga)have been studied.

By examining the temperature dependences of magnetic susceptibility % for compounds RFejAlg (R=Ce, La), the presence of two magnetic sublattices in La Fe2Als and three in Ce FejAlg was revealed. Existence of local magnetic moments on Fe atoms with Pen' ~l,4pti and their magnetic ordering (Tn = 60K) does not cause considerable change of the fine structure of the states density near the Ef. It is shown that in compounds of CeFejXg (X=A1, Ga) type with quasi one-dimensional (Fe) and the Kondo-type sublattices (Ce), the influence of the effects of Kondo-type scattering and the Fe magnetic sublattice on transport coefficients has additive character.

It has been shown, with CeCoX compounds (X=Al,Ga), as example, that interaction of magnetic active Co sublattice with Ce one may lead to almost blurring of correlation fine structure near Fermi level, that is the result of Ce valence unstability.

It is shown, that near Fermi region of energetic spectrum for most Kondo-lattices of RM„Xm type may be presented in a two-band model with narrow temperature-independent peak of Lorents' shape states' density.

The principal ability of Ce and Yb valence unstability phenomenon application when obtaining materials with optimum resistive and thermoelectric characteristics has been shown.

Keywords: interelectron correlations, valence unstability, fine structure, Kondo-system, state density, near Fermi region, magnetic moment, magnetic sublattice, kinetic characteristics, spin fluctuations.