Исследование локальных распределений атомов в редкоземельных фазах Лавеса тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

§ I. А томно-кристалличеекая структура фаз Лавеса CI4 и CI5 и их взаимосвязь друг с другом.

- Структурный тип CI4 ( i,igZn2 )

- Структурный тип С15 ( MgCu2 )

§ 2. Сверхструктурные типы квазибинарных фаз

Лавеса СИ- и CI5.

- Сверхструктуры к фазам CI4 ( MgZn2 )

- Сверхструктуры к фазам CI5 ( MgCu2 )

§ 3. Структура и свойства интерметаллических соединений типа CI5 редкоземельных металлов с железом и марганцем.

§ 4. Локальное распределение атомов в интер-металлидах квазибинарной системы Ti( Fe^^Mn^) 2 и В сплавах Мп - Fe

§ 5. Постановка задачи.

ГЛАВА П. МЕТОДИКА ЭКСПЕШ-ЛЕНТА.

§ I. Приготовление образцов.

§ 2. Аппаратура для рентгеновских измерений.

§ 3. Методика мёссбауэровских измерений.

ГЛАВА Ш. ЭКСПЕРШЖНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ 0БСУ}ЩНИЕ 49 Раздел I. Структурные исследования интерметаллидов квазибинарных систем и( Fe^^ito^ ) 2 • • •

§ I. Структура и фазовый состав интерметаллидов квазибинарных систем r( Fe^^in^ ) R = Ег , Но , Dу , ТЪ , Gd ).

§ 2. Тепловое расширение интерметаллидов квазибинарной системы но( Fe1-rXMnx)

§ 3. Тепловое расширение интерметаллидов квазибинарной системы Dy( Fe^^in^g

§ 4. Тепловое расширение интерметаллидов квазибинарной системы GdCPe^^in^ ,)

Раздел П. Локальное распределение атомов железа и марганца в 3d -подрешетке интерметаллидов квазибинарных систем Е( Ре]хЫп 2 ( R = Ег , Но , Dy

ТЪ , Gd ).

§ I. Исследование локального распределения атомов в 3d-подрешетке интерметаллидов системы Ег(Ре1-хЫпх )

§ 2. Исследование локального распределения атомов в 3d- подрешетке интерметаллидов системы Ho(Fe1->xMn.

§ 3. Исследование локального распределения атомов в 3 d-подрешетке интерметаллидов системы Dy(Ре

§ 4. Исследование локального распределения атомов в 3 d-подрешетке интерметаллидов системы ТЪ(Ре1з?Мпаг)

§ 5. Исследование локального распределения атомов в 3 а-подрешетке интерметаллидов системы GdCPe^jjiany )

§ 6. Общие закономерности распределения атомов в 3 а-подрешетке интерметаллидов систем R(Pei3rMn3r)2 . 10S

ВЫВОДЫ.

Интерметаллические соединения играют значительную роль в современной науке и технике. Они входят в состав многих конструкционных, тугоплавких, жаропрочных и других важнейших сплавов, а также находят широкое самостоятельное применение в качестве магнитов, термоэмиттеров, сверхпроводников, катализаторов и других материалов новой техники. Вместе с тем, целенаправленные систематические исследования структуры и свойств интерметаллических соединений позволят значительно углубить и расширить фундаментальные представления в современной физики конденсированного состояния.

За последние годы значительное внимание исследователей было привлечено к экспериментальному и теоретическому изучению соединений редкоземельных металлов с 3<L - переходными [i-io] . В этих соединениях, в особенности таких, как ТёТ^ ,TS Со^ , 5m Со^ и ряде других, обнаружены разнообразные структурные и магнитные фазовые переходы, в том числе и спинориентационные. Сравнительно простая атомно-крис-таллическая структура этих соединений делает их удобными модельными объектами для всесторонних теоретических исследований [ll-19] . Существенный прогресс в этом направлении был достигнут в области применения теории кристаллическо-' го поля к расчету важнейших физических свойств интерметал-лидов, таких как величина спонтанной магнитострикции и ее зависимость от температуры, вычисление осей легкого намагничивания и их зависимость от температуры и состава соединений и т.п.

Перспективы дальнейшего улучшения практически важных свойств редкоземельных интерметаллидов заставляют специалистов синтезировать и систематически исследовать новые и все более сложные соединения, состоящие из трех и более компонентов. Именно на этом пути удалось уже добиться заметных достижений [20-22] . Однако в этих случаях атомно-кристалличеекая и магнитная структура интерметаллидов также существенно усложняется.

В ряде работ [21,22] было обращено внимание на то, что в тройных соединениях редкоземельных металлов с 3d, -переходными £(Т'Т" типа Лавеса удается превысить рекордные значения магнитных характеристик интерметаллидов Тё "Ftz и

С-о % за счет антипараллельной ориентации локальных магнитных моментов Т'и Т" атомов в подрешетке 3d- металла. Поэтому представляет интерес изучение влияния локального распределения атомов в тройных фазах Лавеса типа CI4 и CI5 на характер структурных и магнитных фазовых переходов. Редкоземельные фазы Лавеса при низких температурах испытывают разнообразные структурные и магнитные фазовые переходы, в том числе и спиновую переориентацию, обнаруживают аномалии тепловых и упругих свойств и т.п. В связи с этим установление взаимосвязи структурных изменений с физическими свойствами представляет интерес и для техники.

Наиболее информативными методами прямого изучения атомно-кристаллической структуры твердых тел вообще и интерметаллидов, в частности, являются рентгеновский струк-1турный анализ и ядерный гамма-резонанс ( эффект Мессбауэра) [23-30] . Применение метода температурной рентгенографии позволяет кроме того изучать и структурные фазовые переходы в интерметаллидах.

Целью настоящей диссертационной работы явилось изучение атомно-кристаллической структуры, локального атомного распределения, теплового расширения и фазовых переходов в редкоземельных фазах Лавеса типа CI4 и CI5 в системах где IZ = Ву , Но , и &cL .

Редкоземельные интерметаллиды претерпевают дисторсионные фазовые переходы и характер искажений их атомно-кристаллической структуры однозначно связан с ориентацией вектора спонтанного магнитного момента. Поэтому изучение структуры и теплового расширения квазибинарных систем интерметаллидов

-х позволит исследовать влияние температуры и состава на характер магнитного порядка в этих системах.

Проведенное в настоящей диссертационной работе исследование позволило экспериментально обнаружить существование низкосимметричных фаз в системе"?^ (Тъ. ,х )2 со сложным характером искажений, имеющих магнитострикционную природу, и показать, что характер искажения зависит от локального распределения атомов железа и марганца в подрешетке 3d металла. Экспериментально исследовано локальное распределение атомов в подрешетке 3 d- металла систем TZ где ( К = £V , Но , Т4 , T^ >G<L) и установлены общие закономерности этих распределений.

В системеНоС^е.,^ К/<иж )z впервые изучено влияние изоморфного замещения атомов марганца атомами железа на устойчивость атомно-кристаллической структуры и показано, что переход гексагональной плотноупакованной структуры типа CI4 в кубическую гранецентрированную структуру типа CI5 происходит путем образования дефектов упаковки.

Автор выносит на защиту результаты экспериментальных исследований структуры, теплового расширения и фазовых переходов в интерметаллидах квазибинарных систем Rifk-,-* ( где С - £V , Но , Р^ ,Т<£ ,

Результаты работы были доложены на Ломоносовских чтениях МГУ ( Москва, 1984 г.) и на Научно-технической конференции молодых ученых, посвященной 100-летию со дня рождения И.П. Бардина (г. Руза, 1984 г.). Опубликована I статья. L

ВЫВОДЫ.

1. В редкоземельных фазах Лавеса в системах

М** \ , где к - G , А/о , р^ ,Тб обнаружено упорядоченное распределение атомов железа и марганца по подрешетке переходного металла.

2. Атомы железа в Т-подрешетке преимущественно занимают узлы в вершинах тетраэдров, а атомы марганца - узлы в основаниях тетраэдров, и электронные конфигурации атомов в этих узлах различны.

3. В системе переход из гексагональной плотноупакованной структуры CI4 в кубическую CI5 при изоморфном замещении атомов марганца атомами железа происходит по механизму образования дефектов упаковки.

4. В системахТ^(Т^1хМ^х\и (ьс{/ЬггхМм к)2 составов х=0,8 и 1,0 переход в магнитоупорядоченное состояние сопровождается аномалиями теплового расширения.

5. Во всех изученных системах 12(FklmmK Им , где и - Ьг, Но , , т1, d установлено возрастание коэффициентов теплового расширения с ростом содержания в них марганца.

1. Интеруюталлические соединения. Сб. статей, пер. с англ. М./'Металлургия", 1970,439 с.

2. Тейлор К. Интерметаллические соединения редкоземельных металлов. М.,"Мир",1974, 221 с.

3. Белов К.П. ,3вездин А.К., Кодамцева A.M.,Левитин Р.З. Ори-ентационные переходы в редкоземельных магнетиках. М., "Наука", 1979, 317 с.

4. Белов К.П. Редкоземельные магнетики и их применение. М., "Наука",1980,239 с.

5. Физика и химия редкоземельных элементов. Справочник. М., "Металлургия", 1982, 336 с.

6. Wallace W.E. Bare Earth Intermetallies. Academic Press New York and London. 1973, 266p.

7. Тейлор К.,Дарби M., Физика редкоземельных соединений. М., "Мир", 1974, 374 с.

8. Несбитт Е., Верник Дж., Постоянные магниты на основе редкоземельных элементов. М., "Мир", 1977, 168 с.

9. Вонсовский С.В., Изшов Ю.А., Курмаев Э.З. Сверхпроводимость переходных металлов, их сплавов и соединений. М., "Наука", 1977, 383 с.

10. Пирсон У. Кристаллохимия и физика металлов и сплавов. ч.1. М., "Мир", 1977, 419 с.

11. Atrnony V., Dariel М. P. Spin-Orientation Diagramsand Magnetic Anisotropy of Rare-Earth-Iron Ternary cubic Laves Compounds.

12. Phys. Hev. B. v. 7, N.9, 1973, P. 4220-4233

13. Klimker H., Dariel M.P., Rosen Ы. Temperature and magnetic field dependence of the elastic properties of Rare-Earth-Cobalt Laves Phase- compounds.

14. J. Phys. Chem. Solids, 1979, v.40, p. 195-200

15. Klimker H., Rosen M., Dariel M.P., Alzmony V. Elastic and Magnetoelastic properties of Polycrystalline Rare-Earth-Iron Laves Compounds.

16. Phys. Rev. B, 1974, v. 10, N.7, p. 2968-2972.

17. Rosen M., Klimker H., Atzmony V., Dariel M.P. Magnet©elasticity in SmPeg.

18. Phys. Rev. B> 1974, v.9, N.l, p.254-257. 16*Rosen M.f Klimker H., Atzmony V., Dariel M.P.

19. Elasticity Pheonomena During Spin-Rotation in Ho2xTbxFe2 cubic Laves Compounds.

20. Phys. Rev. B, 1973, v.8, N. 5, p.2336-234017. William® С. M., Koon N.C.i

21. Continues Spin Orientations in single crystal Ho^Tb^^Fe 2 Solid Stat© Communications, v.27, pp.81-86, 1978.

22. Koon N.6. a nd J.J. Rhyne. Kristal-Field effects in the Spin Wave dispersion relations of cubic Rare-Earth-Iron Laves-Phase compounds.1.st. Phys. Conf. Ser., N.37, Chapter 4,1978, p.112-113

23. Тебеньков Ю.В., Илкшн А.С., Перов А.П. Тепловое расширение и атомно-кристаллическая структура интерметаллидов квазибинарной системы в интеРвале температур от 4,5 до 295 К. М.,1982, рукопись деп. в ВИНИТИ,1. В 3415-82, деп. 48 с.

24. Clark а.Е., Belson H.S. Giant Room Tempera-tyre Magnetostrictions in ТЪРе2 and DyFe^.

25. Phys. Rev. B, Condens Matter., 1972, v.5, p.3642-3644

26. Стеценко Ivl.H. Автореферат дисс. к.ф.-м.н. M., изд-во МГУ, 1981.

27. Иркаев С.М., Кузьмин Р.Н., Опаленко А.А. Ядерный гамма-резонанс. М., Изд-во МГУ, 1970, 207 с.

28. Вертхейм Г. Эффект Мёссбауэра. М., "Мир", 1966, 172 с.

29. Шпинель B.C. Резонанс гамма-лучей в кристаллах. М., "Наука", 1969, 407 с.

30. Эффект Мёссбауэра. Сб. статей. М., изд-во иностр. литер. 1962, 444 с.

31. Экспериментальная техника эффекта Мёссбауэра. М., "Мир", 1967, 184 с.

32. Чекин В.В. Мёссбауэровская спектроскопия сплавов железа, золота и олова. М., "Энергоиздат", 1981, 105 с.

33. Литвинов B.C., Каракишев С.Д., Овчинников В.В. Ядернаягамма-резонансная спектроскопия сплавов. М., "Металлургия" , 1982, 143 с.

34. Химические применения мёссбауэровской спектроскопии (пер. с англ.). М., "Мир", 1970, 503 с.

35. Теслюк М.Ю. Металлические соединения со структурами фаз Лавеса. М., "Наука", 1969, 136 с.

36. Крипякевич П.И. Структурные типы интерметаллических соединений. М., "Наука", 1977, 288 с.

37. Уманский Я.С., Скаков 10.А. Физика металлов. М., "Атом-издат", 1978, 352 с.

38. Пирсон У. Кристаллохимия и физика металлов и сплавов. ч.2. М., "Мир", 1977, 471 с.

39. Физическое металловедение под ред. Кана Р. Вып. I, Атомное строение металлов и сплавов. М., "Мир",1967,333с.

40. Рейнор Г.В. Металловедение магния и его сплавов. М., "Металлургия", 1964

41. Илюшин А.С. Структурные состояния квазибинарной системы Ег( )2 . ФММ, 1977, т.43, с. 1249-1252.

42. Илюшин А.С., Гребенкин В.Т., Кириличева Л.А. Влияние меди на стабильность структуры CI4 в квазибинарной системе

43. Ег( шпд^Си^. )2 . Вестник Моск. унив.,серия физика, астрономия, 1981, т. 22, 156, с. 41-46.

44. Warren В. Е. X-ray diffraction, Addison- Wesley Pub. Co., N-Y , 196940# Herget G. and Domazer H.G. Methods for the Production of Rare-Ear±h-3d Metil Alloys with Particular Emphasis on the Cobalt Alloys

45. Goldschmidt Imformient. 4/75 Nr.35» 1975

46. Kirctmayr H. R., Lihl F. Rare- Earth-Manganese Alloys, Their preparation, crystal structures, Phase diagrams and Magnetic Properties.

47. Technical Report AFML-TR-66-366,1967

48. Илюшин А.С., Тебеньков Ю.В. Низкотемпературные модификации кристаллических структур интерметаллидов TbCo2 и TbFe2 • Вестник Моск. унив., серия физика,астрономия, 1977, т.18, № 5, с. I39-I4I.

49. Barbara В., Giraund J. P., Laforest J., Lemaire R.,

50. Slaud E., Schweiser J. Spontaneous Magnetoelastic Distortion in Some Rare Earth-Iron Laves Phases Physica, 86-88B, 1977. p.155-157*

51. Кириличева Л.A., Илюшин A.C., Иеров А.П. Влияние изоморфного замещения атомов и температуры на атомно-кристалли-ческую структуру интерметаллидов псевдобинарной системы ТЪ( м^ ^Ре )2 * Рукопись депонирована в ВИНИТИ, 1982,4921-82, деп.

52. Wernick J. H.,Haszko s. E.

53. Manganese Rare-Earth Compounds with the MgZn2 Struo-ture.

54. J. Phys. Chem. Solid's,1961, vol.18, p.207-209

55. Wernick J.H., Haszko S.E., Dorsi D. Pseudo-binary Sistems involving Rare-Earth Lavess Phases.

56. J. Phys. Chem. Solids. 1962, vol.23, p.567-572.49. learson W. B. Dimensional Analysis of Laves Phases: Phases with the MgCUg Structure.

57. Acta Cryst. 1981,, B37, p.1174-1183.50. Bowden G. J.

58. Ph.D. Thesis, Manchester, 1967.51. Wallace W. E.

59. J. Chem. Phys., 41, 1964, p.3857-3863.

60. Илюшин А.С. Введение в структурную физику редкоземельных интерметаллидов. М., изд-во МГУ, Г984, ГГО с.

61. Кириличева Л.А., Илюшин А.С., Тебеньков Ю.В. Методика определения смещений атомов при структурных фазовых переходах в интерметаллидах типа СГ5. Рукопись депонирована в ВИНИТИ, 1982, В 775-82.54. wertheim G. К., Wernick J. Н.

62. Phys. Rev., 125, 1962, р.1937-1940.

63. Илюшин А.С., Кириличева Л.А., Перов А.П., Тебеньков Ю.В. Смещения атомов тербия в кристаллической решетке магнито-упорядочивающегося интерметаллида търе2 . Вестник моек, унив., сер.З физика,астрономия, Г983, т.24, И6, с.Г8-22.

64. Илюшин А.С., Корчажкин В.В. Упорядочение атомов железа в сплавах Ре мп - А1 , изоструктурных jty - Мп. .

65. Ф1М, 1980,49, вып.6, с.1323-1326.57e Ilyushin A. S. and Wallace W. Е.

66. Magnetic and structural Studies of Rare Earth-Iron-Manganese Laves Phases Ternaries I. Journal of Solid State Chemistry, 17, 131-133, 1976.

67. Ilyushin A.S. and Wallace W. E.

68. Magnetic and Structural Studies of Rare Earth-Iron-Manganese Laves Phases Ternaries II. Journal of Solid State Chemistry, 17, 373-376, 1976.

69. Кириличева Л.А. Тмпературное исследование структурных изменений в соединениях редкоземельных и переходных металлов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физ.-мат. наук. М., МГУ, 1982.

70. Sharon Т. Е. and Tsuei С. С.

71. Илюшин А.С. Дацнельсон А.А., Никанорова И.А. Распределение атомов железа в сплавах Fe Мп , изоструктурных- Мп . Известия ВУЗов, серия физика, 153, 1981,86-89.

72. Илюшин А.С., Никанорова И.А. Локальное распределение атомов в твердых растворах железа в ОС и /3 - модификациях марганца.

73. Никанорова И.А., Илюшин А.С. Аномалии теплового расширения твердых растворов железа в ос -марганце. ФММ,т.55, JS6, 1983, с.1215-1217.65. Preston G. D.

74. The Crystal Structure of j3-Manganese Phil. Mag., 5, N32, 1928, p.1207

75. Илюшин А.С. Сверхтонкая структура мёссбуэровского спектра интерметаллического соединения РеМп2А1 . Вестник Моск. унив., серия шизика,астрономия,1980,21, Н, с.94-95.

76. Никанорова И.А., Илюшин А.С., Кацнельсон А.А., Корчаж-кин В.В. Локальное распределение атомов в сплавах квазибинарной системы Mn^gAX^^Pe^ , изоструктурной ^ -Мп . Рукопись депонирована в ВИНИТИ, 1982, $ 465-82.

77. Тебеньков Ю.В. Автореферат диссертации на соискание уче-- ной степени кандидата физ/мат. наук. М., МГУ, 1983.

78. Хейкер Д.М., Зевин Л.С. Рентгеновская дифрактометрия. М., Физматгиз, 1963.

79. Жданов Г.С., Илюшин А.С., Никитина С.В. Дифракционный и резонансный структурный анализ. М., "Наука",1980, 256 с.

80. Иверонова В.И., Ревкевич Г.П. Теория рассеяния рентгеновских лучей. М., Изд-во МГУ, 1978.

81. Кастро Д., Тебеньков Ю.В., Илюшин А.С., Нальгиев А.Г.-М., Андрецуляк Л.В. Структура и тепловое расширение интерметаллидов квазибинарной системы Но( ге-^мп^ )2 . Рукопись депонирована в ВИНИТИ,1982, В 5352-82.

82. Маркосян А.С. Искажения кристаллической структуры и маг-нитострикция соединений ВО02 ( К = Y , Dy , Но , Ег ). ФТТ, т.23, вып.6, 1981, с.1656-1661.

83. Гайдукова И.Ю., Маркосян А.С. Структурный фазовый переход первого рода в парамагнитном соединении умп2 . ФММ, т.54, 1982, 184 с.

84. Гайдукова И.Ю., Кругляшов С.Б., Маркосян А.С. и др. Мета-магнетизм марганцевой подсистемы в интерметаллических соединениях вмп2 • т*84> 1983» с.1858-1866.

85. Никанорова И.А., Илюшин А.С., Каднельсон А.А. Взаимосвязьмагнитного и атомного порядка в сплавах Mn^Alg xFex

86. В сб. "Тезисы докладов УП Всесоюзного совещания "Упорядочение атомов и его влияние на свойства сплавов".1. Свердловск, 1984, 4 .

87. Илюшин А.С., Никанорова И.А. Влияние атомного порядка на тепловое расширение сплавов системы Mn^Alg ^Ре^. ФММД984, т.57, 1Ю, с.1242-1245.

88. Илюшин А.С., Никанорова И.А. Аномалии теплового расширения вблизи точек фазовых переходов в твердых растворах железа в jS> -марганце. Тезисы докладов 1У совещания по старению металлических сплавов, Свердловск, 1984, с.141.

89. Илюшин А.С., Никанорова И.А. Влияние атомного порядка на тепловое расширение сплавов системы Mn^Aig^Fe^ . ФММ, 1984, т.57, выпб, с. 1226

90. Илюшин А.С., Никанорова И.А., Николаев А.А. Магнитная природа аномалий теплового расширения сплавов Мп-Ре , изо-стрзгктурных^Q -Мп . Изв. ВУЗов, сер. физика, 1984.

91. Панин ii.iii., )юн Ю.А. „ Наумов И.И. и д,р|-. Теория Фаз в сплавах. Новосибирск: Наука» Ш34, стр.1. Ч Г