Магнитная анизотропия и фазовые переходы в монокристаллах R2Fe14-xCoxB(R-Y,Nd) тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

На правах рукописи

РЫБАК Александр Александрович

МАГНИТНАЯ АНИЗОТРОПИЯ И ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ В МОНОКРИСТАЛЛАХ НгРе^Со^В (И - У, N(1)

01.04.11 - физика магнитных явлений

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Тверь - 2004

Работа выполнена на кафедре магнетизма Тверского государственного университета.

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук, доцент Супонев Н.П.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Попков А.Ф.

кандидат физико-математических наук, доцент Гречишкин P.M.

Ведущая организация:

Оренбургский государственный университет

Защита состоится 2004 г. в часов на

заседании диссертационного совета К 212.263.04 в Тверском государственном университете по адресу: 170002, г. Тверь, Садовый пер., 35.

/г*2-

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ТвГУ.

Автореферат разослан 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

М.Б. Ляхова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Интерметаллические соединения редкоземельных металлов (Д, РЗМ) с 3d-переходными металлами являются уникальными магнитными материалами. Магнито-кристаллическая анизотропия (МКА) железной подрешетки в соединениях ЯгРенВ и И2Ре14.хСохВ сравнима по величине с анизотропией редкоземельной подрешетки. По этой причине в данных соединениях наблюдается разнообразие магнитных структур и спин-переориентационных магнитных фазовых переходов. В интерметаллидах и реализуются все основные

типы МКА: «легкая ось», «плоскость осей легкого намагничивания» и «конус осей легкого намагничивания». Точное определение констант и коэффициентов магнитокристаллической анизотропии необходимо как для проверки адекватности теоретических моделей, так и при рассмотрении прикладных вопросов температурной стабильности характеристик магнитотвердых материалов.

Анализ публикаций, посвященных экспериментальным исследованиям магнитокристаллической анизотропии редкоземельных интерметаллидов, свидетельствует о том, что значения констант МКА во многих случаях существенно отличаются в работах различных авторов. Это обусловлено рядом причин. Определяемые значения констант МКА зависят от максимальных полей, используемых в экспериментах. При измерениях в полях, сопоставимых по величине с собственным размагничивающим полем, образцы могут находиться в многодоменном состоянии. Значительная часть экспериментов выполнена на текстурованных и поликристаллических образцах.

Константы МКА тетрагонального магнетика определяют, как правило, из кривых намагничивания, измеренных в трех основных кристаллографических направлениях: <100>, <110>, <001>. Гораздо реже используется метод вращающих моментов, хотя он может служить источником важной дополнительной информации о МКА.

В связи с этим особую актуальность приобретают исследования на монокристаллических образцах с учетом многодоменного состояния образца. Подобный подход требует серьезных доработок традиционных методик анализа МКА.

Цель работы. Целью данной работы являлось исследование магнитокристаллической анизотропии соединений и

Y2Fe14-x ^^ в широком интервале температур на монокристаллических образцах.

В связи с этим были поставлены следующие основные задачи:

- синтезировать монокристаллы интерметаллических соединений Nd2Fe14_xCoxB и Y2Fe14-xCoxB 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 в интервале температур 77-750 К;

- построить магнитные фазовые диаграммы соединений Nd2Fe14_xCoxB и Y2Feм_xCoxB с учетом двух коэффициентов МКА;

- сопоставить различные способы феноменологического описания магнитокристаллической анизотропии.

Научная новизна. В работе впервые проведены систематические исследования магнитных свойств тетрагональных соединений Nd2Fe14_xCoxB и на монокристаллических образцах.

Измерены кривые вращающих моментов в интервале температур 77-750 К, определены константы и коэффициенты магнитокристаллической анизотропии. Для соединений и Y2Fe14_xCoxB построены магнитные фазовые диаграммы с учетом первых двух коэффициентов МКА. Разработана методика получения монокристаллических образцов Nd2Fe14_xCoxB и Y2Feм_xCoxB, x=0-6. Предложена схема определения констант и коэффициентов МКА методом кривых вращающих моментов с учетом многодоменного состояния образца.

Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся результаты исследования магнитокристаллической анизотропии и спин-переоринтационных фазовых переходов тетрагональных соединений Nd2Fe14_xCoxB и Y2Feм_xCoxB в широком температурном интервале, а также разработанная методика определения констант МКА методом кривых вращающих моментов с учетом влияния многодоменного состояния.

Практическая значимость. Полученные в работе данные об основных фундаментальных константах соединений Nd2Fe14_xCoxB, Y2Feм_xCoxB и Sm2Fe14B могут быть использованы для развития теоретических представлений о МКА редкоземельных интерметаллидов и при разработке новых магнитотвердых

материалов. Технология получения монокристаллических образцов на основе интерметаллических соединений типа R-Fe-T-B (Т - Со, №) и усовершенствованная методика определения констант МКА для образцов с различными типами анизотропии могут применяться в производственных условиях.

Апробация результатов. Материалы диссертации докладывались на: XVI международной конференции по постоянным магнитам (г. Суздаль, 2003), VIII научной конференции молодых ученых и специалистов (г. Дубна, 2004), XIX международной школе-семинаре «Новые материалы микроэлектроники» (Москва, 2004), международной конференции «Прогресс в магнетизме» EASTMAG-2004 (г. Красноярск, 2004).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано пять печатных работ.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка цитированной литературы. Работа изложена на 149 страницах машинописного текста, содержит 79 рисунков, 7 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 115 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбора в качестве объектов исследования соединений Nd2Fe14_xCoxB и YгFeм_xCoxB как перспективных магнитных материалов, необходимость систематического изучения их основных магнитных характеристик, в особенности МКА. Формулируются цель работы и задачи, решаемые в ней.

Первая глава представляет собой литературный обзор. Рассмотрены данные о диаграммах состояния интерметаллических систем R-Fe-B и R-Fe-T-B. Описана кристаллическая структура интерметаллических соединений типа Nd2Fe14B. Дан подробный обзор результатов экспериментальных исследований магнитных свойств соединений R2Fe14_xCoxB. Рассмотрены теоретические подходы к описанию магнитных свойств интерметаллических соединений, в том числе магнитокристаллической анизотропии.

Приведен обзор основных экспериментальных методов определения констант МКА.

В конце главы конкретизируются цель и задачи работы.

Вторая глава посвящена методике проведения эксперимента. Подробно описаны новая методика получения монокристаллов, методы подготовки образцов, проведения структурных исследований и магнитных измерений.

Сплавы Nd2Fe14-xCoxB и Y2Fe14-xCoxB были получены методом высокочастотной индукционной плавки в атмосфере аргона в тиглях из алунда на установке «Донец-1». В качестве исходных компонентов использовались неодим марки НМ-1, железо марки ЭП-335, кобальт чистотой 99,99% и бор марки Б-97. Термические обработки проводилась в печи сопротивления СШВЛ-0,6/16И2.

Исследования микроструктуры и доменной структуры проводились на металлографическом микроскопе «Neophot-30» (К. Zeiss, Jena, Germany). Доменная структура выявлялась магнитооптическим методом Керра.

Рентгеноструктурные исследования образцов выполнены методом Лауэ. Съемка рентгенограмм осуществлялась на установке ИРИС-3 в Ка-излучении хрома в камере РКУ-114М. Точность определения кристаллографических направлений составляла не менее 0,5°.

Микроструктура и доменная структура сплавов после гомогенизирующего отжига представлены на рис. 1. Как видно из приведенных микрофотографий в гомогенизированном сплаве присутствуют по крайней мере три фазы. Варьирование различных режимов гомогенизирующих отжигов не позволило получить однофазные образцы со стехиометрическим соотношением 2:14:1.

Для получения однофазных сплавов и монокристаллов была разработана методика, основанная на отжиге предварительно гидрированных сплавов. Гидрирование проводилось при 150-200°С, так как именно в этом интервале температур происходит интенсивное поглощение водорода сплавом.

Гидрированный сплав подвергался отжигу в вакуумной печи СШВЛ-0,6/16И2 по следующему режиму: нагрев до температуры 1200°С в течение часа, выдержка в течение 15 минут, быстрое снижение температуры до 1150°С в течение 20 минут, затем плавное охлаждение в течение 14 и более часов до 750°С. Образцы, подвергнутые такой обработке, представляли собой конгломераты монокристаллов, которые имели форму пластин и иголок с квадратным сечением.

Рис. 1. Доменная структура (а, в, д) и микроструктура (б, г, е) сплавов Y2(Fe1_xCox)14B, х=0,1 (а, б); х=0,4 (в, г); х=0,6 (д, е). Увеличение х200

Для последующих исследований магнитных свойств отбирались монокристаллы массой более 3 мг.

Магнитные измерения выполнены методом вибрационного магнитометра. Погрешность измерения удельной намагниченности по отношению к эталонному образцу из отожженного никеля не превышала 1,5%, точность измерения магнитного поля - 2,5%.

Измерения кривых вращающих моментов выполнены в лаборатории кафедры общей физики и магнитоупорядоченных сред МГУ им. М.В. Ломоносова в интервале температур от 77 до 750 К в полях до 0,96 МА/м. Анализ экспериментальных кривых вращающих моментов позволял определить положения осей легкого и трудного намагничивания, и константы МКА образцов.

Третья глава содержит основы разработанной методики определения констант МКА из кривых вращающих моментов.

Энергия анизотропии с учетом первых пяти констант МКА традиционно записывается в виде:

где - эффективные константы МКА (далее - константы МКА), и - углы, определяющие положение вектора намагниченности.

Альтернативный способ феноменологического описания магнитной анизотропии основан на использовании сферических гармоник. В этом случае выражение для энергии МКА кристаллов с одной осью симметрии (без учета анизотропии в базисной плоскости) представляется соотношением:

где Хи.а - коэффициенты МКА, /^(собЭ) - полиномы Лежандра, а М— число членов разложения.

Была исследована зависимость определяемой величины константы МКА от поля, которое использовалось в эксперименте. Для определения зависимости констант МКА от величины внешнего приложенного поля были рассчитаны константы МКА из кривых намагничивания в двух случаях.

В первом случае константы МКА определялись из кривых намагничивания монокристалла Nd2Fe14B, в полях меньших 1,6 МА/м в интервале температур 4,2-300 К. При определении констант МКА использовалась методика, учитывающая многодоменное состояние кристалла.

Во втором случае, константы МКА определялись из кривых намагничивания, измеренных в полях от 4,8 МА/м до 8 МА/м при

Еа = Кг бш2 9 + К2 эт4 9 + Кр1 эт4 9 соб 4<р + + Кг вт6 9 + Кр з БШ6 9соз4<р+...

(1)

(2)

Т = 4,2-300 К. В полях такой величины намагничивание кристалла происходит, как правило, только благодаря вращению вектора спонтанной намагниченности 15. Как показало исследование, значение констант, определенных в разных случаях могут отличаться в несколько раз.

Таким образом, для корректного определения параметров МКА при измерениях в малых полях необходимо учитывать возможность возникновения многодоменного состояния.

Изучение зависимостей величин констант и коэффициентов МКА от количества членов разложения в феноменоменологических выражениях для энергии анизотропии (1) и (2) проведено на примере соединения TbFenTi, для которого ранее были определены константы МКА ^ и К [1] с учетом первых двух членов ряда (1).

Как видно из рис. 2. величина первой константы МКА сильно зависит от количества учитываемых членов разложения энергии анизотропии в ряд, в то время как величина первого коэффициента анизотропии практически не зависит от количества учитываемых членов разложения п энергии анизотропии в ряд (кривые на рис. 2б практически совпадают).

Рис. 2. Температурная зависимость: первой константы МКА (а) и первого коэффициента МКА (б) соединения TbFe11Ti от количества

членов разложения

Для кристаллов в многодоменном состоянии применялась методика расчета кривых Ц\|/), основанная на методе фаз Нееля. Рассмотрим одноосный анизотропный кристалл и обозначим относительный объем фаз с противоположным направлением намагниченности как v1 и v2.

В размагниченном состоянии v1 = ^ = 0.5 . Изменение намагниченности в присутствии магнитного поля происходит как в результате смещения доменных границ, так и вследствие вращения векторов самопроизвольной намагниченности.

Полная энергия образца представлялась как сумма трех вкладов: энергии МКА, энергии во внешнем поле и энергии собственного размагничивающего поля:

Е„=Еа+Ер+Еи

(3)

Равновесные положения вектора спонтанной намагниченности и относительные объемы фаз определяются из условия минимума полной энергии образца.

В результате произведенных математических преобразований получим:

необходимо отметить, что:

поэтому выражение (4) позволяет рассчитать кривую вращающих моментов сферического образца в многодоменном состоянии. Критический угол перехода в многодоменное состояние равен:

где угол 9 определяется из выражения (4).

На рис. 3 показана зависимость от величины внешнего магнитного поля угла между направлением поля и осью «с» кристалла, при котором сферический образец с бесконечно большой первой константой МКА переходит из однодоменного состояния в многодоменное. Расчет выполнен для интервала полей 0,48-2 МА/м. Приведенный рисунок определяет интервал углов от 0 до , где

применим способ расчета констант МКА для однодоменного кристалла.

0,5 1,0 1,5 Н, МА/м

Рис. 3. Зависимость угла между внешним полем и осью «с», при котором осуществляется переход из монодоменного в многодоменное

состояние в предположении бесконечной анизотропии кристалла

Далее рассмотрено влияние величины констант МКА на возможность перехода кристалла из однодоменного состояния в многодоменное. Показано, что в условиях проведенного в работе эксперимента (намагниченность насыщения IS=106 A/M И поле Н=0,96 МА/м) кристалл переходит в многодоменное состояние, когда величина первой константы МКА достигает 0,6 МДж/м3. В других условиях образец будет находится в однодоменном состоянии при любой ориентации образца во внешнем поле. Данные результаты обобщаются на другие значения полей и Is.

В заключительной части главы произведена оценка погрешности определения констант и коэффициентов МКА из кривых вращающих моментов.

В четвертой главе представлены результаты экспериментального исследования МКА монокристаллов соединений Nd2Fe14-xCoxB и

Y2Fe14-xCoxB.

На рис. 4 показаны температурные зависимости первой константы и первого коэффициента МКА соединений Y2Fe14-xCoxB при х=0, 2, 4. Из рис. 4 следует, что наибольшее значение К1 при комнатной температуре имеет соединение Y2Fe12Co2B. Во всем диапазоне

температур магнитного упорядочения исследованные соединения Y2Fe14_xCoxB обладают одноосной МКА. При увеличении концентрации кобальта до х=2 константа при комнатной температуре возрастает и уменьшается при дальнейшем увеличении х. С увеличением концентрации кобальта температурная зависимость становится более пологой, растет температура Кюри.

Рис. 4. Температурные зависимости первой константы (К,) и первого коэффициента анизотропии (5(2,0) соединений У2Ре14.хСохВ

На рис. 5 приведены температурные зависимости первой константы МКА и первого коэффициента МКА у^,о соединений Кс12Ре14.хСохВ.

Рис. 5. Температурные зависимости первой константы (К,) и первого коэффициента анизотропии (5(2,0) с оед и нен и й N с12 Ие, 4. С о.. В

Как видно из рис. 5, при температурах выше 350 К наибольшее значение константы имеет соединение Nd2Fe12Co2B, а в области низких температур - соединения Nd2Fe8Co6B и Nd2Fe14B. Если характеризовать анизотропию с помощью р&о (рис. 5) то наибольший

по модулю коэффициент МКА наблюдается у соединения Nd2Fe12Co2B во всем температурном интервале исследования.

Были построены зависимости К1(Т/ТС) Хй(Т^Бс) т приведенной температуры. Как следует из рис. 6, максимум на кривых ^(Г/Г) смещается с увеличением концентрации кобальта в низкотемпературную область.

Рис. 6. Зависимости первой константы (К,) и первого коэффициента анизотропии (хг,о) соединений Ыс12Ре|4 ,Со..В от приведенной температуры

На рис. 7 приведены зависимости К2(Т) и Х4,о(Т) соединений Nd2Fe14_xCoxB. При увеличении концентрации кобальта температура, при которой К2 становится отличной от нуля, возрастает. Температурные зависимости второй константы МКА у и

Nd2Fe12Co2B схожи, однако в области низких температур величина К2 соединения Nd2Fe12Co2B больше.

Рис. 7. Температурные зависимости второй константы (К2) и второго коэффициента анизотропии (/до) соединений Ыс12Ре|4 ,Со,В

Рис. 8. Зависимости второй константы (К,) и второго коэффициента анизотропии (х4,о) соединений Ш2ре14.хСохВ от приведенной температуры

Зависимости К2(Т/ТС) и %4,о(Т/Тс) от приведенной температуры (рис. 8) свидетельствуют о том, что при увеличении концентрации кобальта температурные зависимости становятся более пологими и смещаются в низкотемпературную область по шкале Т/Тс.

Для определения характера температурных и концентрационных изменений типа МКА исследованной группы соединений были построены магнитные фазовые диаграммы в координатах %2,о, Х4,о-

На рис. 9 показана магнитная фазовая диаграмма соединений У2Ре14.хСохВ (х=0, 2, 4). Из рисунка следует, что фазовые траектории данных соединений во всем температурном интервале магнитного упорядочения находятся в области, соответствующей анизотропии типа «легкая ось».

-15 -ю -5 О Х20,Ю Дж/м Рис. 9. Магнитная фазовая диаграмма соединений Y2Fe14-xCoxB, построенная с учетом первых двух коэффициентов анизотропии

Х40,Ю5Дж/м3

50

0

-50

Рис. 10. Магнитная фазовая диаграмма соединений Nd2Fe14-xCoxB, построенная с учетом первых двух коэффициентов анизотропии

Рис. 10 показывает фазовые траектории образцов системы Nd2Fe14-xCoxB. В этом случае для всех соединений наблюдается спиновая переориентация, а фазовые траектории пересекают границу раздела областей, соответствующих МКА типа «легкая ось» и «конус осей легкого намагничивания».

В качестве одной из количественных характеристик магнитнокристаллической анизотропии магнетиков достаточно часто используется поле анизотропии. В то же время для магнетиков со спин-ориентационными магнитными фазовыми переходами определение полей анизотропии сопряжено с серьезными трудностями. Это обусловлено необходимостью корректного учета вклада в разложение для энергии МКА членов высоких порядков.

В настоящей работе были получены соотношения, позволяющие провести такие расчеты. Для случая магнитодноосного кристалла с учетом двух первых коэффициентов МКА поле анизотропии равно:

Когда в магнетике реализуется анизотропия типа «конус осей легкого намагничивания», поле анизотропии определяется выражением

Я, = --

1 Г 15

н— и

-ссК290-Хи ж

^п2 2,90 -Нсоэ2 30 со$230 + 6со52,90)^40

где 90 - угол раствора конуса.

Н, МА/м

200 400 600 Т. К

Рис. 11. Температурные зависимости полей анизотропии соединений

Ш2Ре14-хСохВ

На рис. 11 представлены поля анизотропии монокристаллов Кё2Ре14-хСохВ в зависимости от температуры. Все кривые имеют ярко выраженный минимум, соответствующий температуре спиновой переориентации. Видно, что при комнатной температуре наибольшее поле анизотропии у Кё2Бе12Со2В, но в области низких температур наибольшее поле анизотропии у Кё2Бе14В.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1

Синтезированы интерметаллические соединения Кйре^Со^ и У2Реи .Со, В с тетрагональной кристаллической структурой при содержании кобальта х=0тб и разработана технология получения на их основе монокристаллических образцов.

2. Проведены систематические исследования основных магнитных констант монокристаллов Кё2Бе14_хСохВ и У2Ре14-хСохВ в интервале температур 77 - 750 К.

3. Впервые описано температурное поведение МКА соединений Кё2Бе14-хСохВ и У2Ре14-хСохВ с использованием сферических гармо -

ник. Построены температурные зависимости двух констант и коэффициентов магнитокристаллической анизотропии исследованных соединений.

4. Показано, что величина первой константы магнитокристаллической анизотропии может зависеть от количества учитываемых членов разложения в ряд энергии анизотропии, в то время как величина первого коэффициента анизотропии практически не зависит от количества членов ряда.

5. Построены магнитные фазовые диаграммы для соединений Nd2Fe14-xCoxB иY2Fe14_xCoxB сучетомдвухкоэффициентов магнитокристаллической анизотропии.

6. Получены выражения для полей анизотропии На магнетиков с ориентационными магнитными фазовыми переходами. Рассчитаны температурные зависимости На соединений Nd2Fe14xCoxB и Y2FeH-xCoxB.

7. Разработана методика определения констант и коэффициентов магнитокристаллической анизотропии из кривых вращающих моментов с учетом многодоменного состояния кристалла.

СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ivanova T.I., Pastushenkov Yu.G., Skokov K.P., Telegina I.V., Tskhadadze I.A. Spin-reorientation transitions and magnetic anisotropy in TbFe11-xCoxTi compounds // JAlloys&Comp. 1998. V.280. P.20-25.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:

1. Рыбак А.А., Скоков К.П., Медведева О.Н., Супонев Н.П., Пастушенков Ю.Г. Определение констант и коэффициентов анизотропии методом вращающих моментов // Магнитная анизотропия и гистерезисные свойства редкоземельных сплавов. Тверь, 2003. С.49-56.

2. Скоков К.П., Рыбак А.А., Пастушенков Ю.Г., Супонев Н.П. Оценка достоверности определения констант одноосной магнитной анизотропии методом вращающих моментов // Магнитная анизотропия и гистерезисные свойства редкоземельных сплавов. Тверь, 2003. С.120-141.

3. Скоков К.П., Рыбак А.А., Пастушенков Ю.Г., Супонев Н.П. Определение констант магнитной анизотропии монокристаллов 8ш^е14В и У^е14В с учетом доменной структуры // Новые магнитные материалы микроэлектроники. Сборник трудов международной школы-семинара. 28 июня-2 июля 2004 г. Москва, МГУ, 2004. С.181-183.

4. Рыбак А.А., Скоков К.П., Супонев Н.П., Пастушенков Ю.Г. Магнитная анизотропия соединений К^е14-хСохВ, Я=№, У // Вестник Тверского государственного университета. Серия Физика. 2004. Вып.4(6). С.34-39.

5. Рыбак А.А., Супонев Н.П. Метод определения констант анизотропии из кривых вращающих моментов в полях, сравнимых по величине с размагничивающим полем образца // Вестник Тверского государственного университета. Серия Физика. 2004. Вып.4(6). С.40-44.

Подписано в печать 19.11.2004. Формат 60 х 84 1/16. Бумага типографская №1. Печать офсетная. Усл.печ.л. 1,25. Уч.-изд.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 560

Тверской государственный университет Отпечатано на физико-техническом факультете 170002, Тверь, Садовый пер., 35.

»24 4 6 9

г

Содержание

Глава 1. Кристаллическая структура и магнитные свойства соединений R2Fei4.xCoxB

§1.1. Интерметаллические соединения R^Fei+B

§ 1.2. Магнитные свойства R2Fei4.xCoxB

§ 1.3. Теоретические подходы к описанию магнитных свойств интерметаллических соединений

§ 1.3.1. Температурная зависимость констант МКА. 29 ф.

§ 1.4. Использование констант и параметров для выражения энергии 32 анизотропии

§ 1.5. Экспериментальные методы определения констант МКА

§ 1.5.1. Метод гиромагнитного резонанса

§ 1.5.2. Графический метод

§ 1.5.3. Метод Сексмита - Томсона

§ 1.5.4. Определение констант анизотропии из экспериментальной за- 37 висимости ширины основных доменов от толщины кристалла

§ 1.5.5. Метод Боденбергера-Хуберта w

§ 1.5.6. Метод вращающих моментов

§ 1.5.7. Методы определения констант анизотропии из кривых вра- 38 щающих моментов

Интерметаллические соединения редкоземельных (R, РЗМ) и 3 d-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 маг-нитокристаллической 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 RCo5 и Nc^FeuB. На основе последних синтезированы постоянные магниты с рекордными значениями магнитной энергии (до 53 МГс Э).

Для физики магнитных явлений R-3d интерметаллиды также представляют большой интерес, поскольку позволяют изучать взаимодействие двух магнитных систем различной природы, образованных локализованными 4f-электронами R ионов и зонными d-электронами. В твердых телах магнитоак-тивные 4£электроны R ионов сохраняют локализацию на узлах кристаллической решетки с редкоземельными атомами, тогда как их 5d- и бе-электроны частично или полностью коллективизированы и их магнетизм имеет преимущественно локализованный характер. Что касается атомов переходных металлов, то электроны их частично заполненной Зd-oбoлoчки 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 Nd2Fei4.xCoxB и Y2Fei4-xCoxB. Соединение Nc^FeuB имеет самую высокую температуру магнитного фазового перехода из всех Nd2Fei4.xCoxB, 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 Fe, Со и Nd на магнитную анизотропию соединений Nd2Fei4.xCOxB и Y2Fei4.xCoxB.

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 Nd2Fei4.xCoxB и Y2Fei4.xCoxB в широком интервале температур. Были поставлены следующие задачи:

- синтезировать монокристаллы интерметаллических соединений Nd2Fei4xCoxB и Y2Fei4.xCoxB 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 Nd2Fei4xCoxB и Y2Fei4xCoxB в интервале температур 77-750 К;

- построить магнитные фазовые диаграммы соединений Nd2Fei4.xCoxB и Y2Fei4xCoxB с учетом двух коэффициентов МКА;

- сопоставить различные способы феноменологического описания магни-токристаллической анизотропии.

Диссертация содержит введение, четыре главы, заключение и список цитируемой литературы.

Выводы

1. Синтезированы интерметаллические соединения Nd2Fei4.xCoxB и Y2Fei4xCoxB с тетрагональной кристаллической структурой при содержании кобальта х=0 + 6 и разработана технология получения на их основе монокристаллических образцов.

2. Проведены систематические исследования основных магнитных констант монокристаллов Nd2Fei4.xCoxB и Y2Fei4.xCoxB в интервале температур 77 -750 К.

3. Впервые описано температурное поведение МКА соединений Nd2Fei4xCoxB и Y2Fei4.xCoxB с использованием сферических гармоник. Построены температурные зависимости двух констант и коэффициентов магнитокристаллической анизотропии исследованных соединений.

4. Показано, что величина первой константы магнитокристаллической анизотропии может зависеть от количества учитываемых членов разложения в ряд энергии анизотропии, в то время как величина первого коэффициента анизотропии практически не зависит от количества членов ряда.

5. Построены магнитные фазовые диаграммы для соединений Nd2Fei4.xCoxB и Y2Fei4.xCoxB с учетом двух коэффициентов магнитокристаллической анизотропии.

6. Получены выражения для полей анизотропии На магнетиков с ориентационными магнитными фазовыми переходами. Рассчитаны температурные зависимости На соединений Nd2Fei4xCoxB и Y2Fei4xCoxB.

7. Разработана методика определения констант и коэффициентов магнитокристаллической анизотропии из кривых вращающих моментов с учетом многодоменного состояния кристалла.

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Рыбак А.А., Скоков К.П., Медведева О.Н., Супонев Н.П., Пастушенков Ю.Г. Определение констант и коэффициентов анизотропии методом вращающих моментов // Магнитная анизотропия и гистерезисные свойства редкоземельных сплавов. Тверь, 2003. С.49-56.

2. Скоков К.П., Рыбак А.А., Пастушенков Ю.Г., Супонев Н.П. Оценка достоверности определения констант одноосной магнитной анизотропии методом вращающих моментов // Магнитная анизотропия и гистерезисные свойства редкоземельных сплавов. Тверь, 2003. С.120-141.

3. Скоков К.П., Рыбак А.А., Пастушенков Ю.Г., Супонев Н.П. Определение констант магнитной анизотропии монокристаллов Sm2Fe14B и Y2Fei4B с учетом доменной структуры // Новые магнитные материалы микроэлектроники. Сборник трудов международной школы-семинара. 28 июня-2 июля 2004 г. Москва, МГУ, 2004. С. 181-183.

4. Рыбак А.А., Скоков К.П., Супонев Н.П., Пастушенков Ю.Г. Магнитная анизотропия соединений R.2Fei4.xCoxB, R=Nd, Y // Вестник Тверского государственного университета. Серия Физика. 2004. Вып.4(6). С.34-39.

5. Рыбак А.А., Супонев Н.П. Метод определения констант анизотропии из кривых вращающих моментов в полях, сравнимых по величине с размагничивающим полем образца // Вестник Тверского государственного университета. Серия Физика. 2004. Вып.4(6). С.40-44.

1. Мишин Д.Д. Магнитные материалы // М.: Высшая школа. 1991.

2. Вонсовский С.В. Магнетизм. // М.: Наука. 1971.

3. Никитин С.А. Магнитные свойства редкоземельных металлов и сплавов // Москва: Изд-во МГУ. 1989.

4. Тикадзуми С. Физика ферромагнетизма. Магнитные свойства вещества // М.: Мир. 1983.

5. Кондорский Е.И. Зонная теория магнетизма. // М.: Изд-во МГУ. 1977.

6. Кринчик Г.С. Физика магнитных явлений. // М.: Изд-во МГУ. 1976.

7. Поливанов К. М. Определение констант анизотропии в условиях их зависимости от поля // Проблемы магнетизма. М.: 1972. С. 149-162.

8. Herbst J.F., Croat J.J., Yelon W.B. Structural and magnetic properties of Nd2Fe14B // J. Appl. Phys. 1985. V.57. P.4086-4090.

9. Givord D., Li H.S., Tasset M. Polarised neutron study of the compounds Y2Fe14B andNd2FeJ4B //J. Appl. Phys. 1985. V.57. P.4100-4102.

10. Buschow K.H.J. Rare-earth-cobalt intermetallic compounds. / in Handbook on the Physics and Chemistry of Rare Earth, 1984 V.6. P.l , edited by K. A. Gschneider, Jr. and L. Erling (North-Holland, Amsterdam).

11. Herbst J.F. R2FeJ4B materials: Intrinsic properties and technological aspects // Rev. of Modern Phys. 1991. V.63. P.819-898.

12. Givord D., Li H.S., Perrier de la Bathie R. Magnetic properties of Y2Fei4B and Nd2FeuB single crystals. // Solid State Commun. 1984. V.51. P.857.

13. Magnetic properties of rare-earth-iron-boron permanent magnet materials / M. Sagawa, S. Fujimura, H. Yamamoto, Y.Matsuura // J. Appl. Phys. 1985. V.57. P.4094-4096.

14. Андреев A.B., Задворкин C.M., Квашнин Г.М., Терентьев С.В. Кристаллическая структура, тип магнитной анизотропии и тепловое расширение Nd2Fei4B // Тез. VIII Всесоюзн. Конф. По постоянным магнитам. Новочеркасск, 1985. С. 136.

15. Андреев А.В., Барташевич М.И., Дерягин А.В., Задворкин С.М., Тарасов Е.Н., Терентьев С.В. Кристаллическая структура и магнитные свойства Nd2Fe14B. // Докл. АН СССР. 1985. Т.283. С.1369-1371.

16. Никитин С.А., Иванова Т.И., Пастушенков Ю.Г., Золотухин О.А. Магнитная анизотропия, магнитный гистерезис и доменная структура монокристалла Nd2Fei4B. // Физика магнитных материалов, Тверь. 1990. С.56-67.

17. Magnetization and torque measurements on Nd2Fei4B single crystals / K. Tokuhara, Y. Otsu, F. Ono, O. Yamada, M. Sagawa, Y. Matsuura // J. Appl. Phys. 1986. V.59.P.873.

18. Durst K.-D., Kronmuller Determination of intrinsic magnetic material parameters of Nd^e^ from magnetic measurements of sintered Ndi5Fe77B8 magnets. // J. Magn. Magn. Mater. 1986. V.59. P.86-94.

19. Coey J.M.D. Intrinsic magnetic properties of compounds with the Nd2Fei4B structure // J. Less-Common Met. 1986. V.126. P.21-34.

20. Кудреватых H.B. Спонтанная намагниченность, магнитокристаллическая анизотропия и анизотропная магнитострикция редкоземельных соединений на основе железа и кобальта.: Дисс. докт. физ.-мат. наук. - Екатеринбург, 1994.- 321 с.

21. Cadogan J.M., Coey J.M.D. Crystal fields in Nd2FeMB // Phys. Rev. В 1984. V.30. P.7326-3727.

22. Cadogan J.M. Relative strengths of second-order crystal-field interactions in R2M14B (R = Nd, Pr; M = Fe, Co) // J. Less-Common Met. 1988. V.144. P.L15-L17.

23. Pique C., Burriel R., Bartolome J. Spin-reorientation phase transitions in R2Fei4B (R=Y, Nd, Ho, Er, Tm) investigated by heat capacity measurements.// J. Magn. Magn. Mater. 1996. V.154. P.71-82 .

24. Kuzmin M.D. Linear theory of magnetocrystalline anisotropy and magnetostriction in exchange-dominated 3d-4f intermetallics. // Phys. Rev. В 1992. V.46. P.8219-8226.

25. Leonovwicz M., Heisz S., Hilscher G. The effect of A1 addition on the magnetic properties of sintered Nd-Fe-B magnets. // J. de Physique, 1988. V.49. C8-609-610.

26. Phase relations and magnetic properties of new phases in the Fe-Nd-Al and Fe-Nd-C systems and their influence on magnets / B. Grieb, E. Henig, G. Martinek, H. Stadelmaier, G. Petzow // IEEE Trans. Magn. 1990. V.26. P.1367-1369.

27. Effect of Ga, Si and Nb additions on the phases and magnetic properties of melt-spun Nd-Fe-B alloys / S. Zhou, P. Johansson, S.J. Savage, L. Cui // IEEE Trans. Magn. 1990. V.26. P.1739-1741.

28. Studies on Nd(Feo,92-xBo,o8Gax)5>s permanent magnets / R. Grossinger, X.C. Kou, R. Krevenka, H.R. Kirchmair, M. Tokunaga // IEEE Trans. Magn. 1990. V.26. P.1954-1956.

29. Андреев A.B., Дерягин A.B., Кудреватых H.B., Мушников Н.В., Реймер В.А., Терентьев С.В. Кристаллическая структура и тепловое расширение Nd2Fe14B. // ЖЭТФ 1986 Т.63. С.68.

30. Magnetism and crystal field properties of the RE2Fei4BHx alloys (R=Y, Ce, Dy, Er) from Mossbauer spectroscopy / J.M. Friedt, A. Vasquez, J.P. Sanchez, P.L. Hertier, R. Fruchart // J.Phys.: F: Met. Phys. 1986. V.16. P.651-667.

31. Magnetic anisotropy in Pr2(FeixCox)i4B compounds / K.H.J. Buschow, S. Sinnema, Fu-Ming Yang, Ying-Kai Huang // J. Less-Common Met. 1987. V.132. P.265-272.

32. Exchange interaction and magnetocrystalline anisotropy in R2Fei2Co2B compounds (R=Y, Gd, Nd) / T.S. Zhao, X.C. Kou, X.K. Sun, Y.C. Chuang, R. Grossinger, H. Kircmayr // J. Less-Common Met. 1990. V.160. P. 109-115.

33. Jurczyk M. Magnetic properties of R2Fei4.x.yRexCoyB alloys I I J. Less-CommonMet. 1990. V.158. P.l 17-122.

34. Pedziwiatr A.T., Jiang S.Y., Wallace W.E. Structure and magnetism of the Pr2Fe,4-xCoxB system // J. Magn. Magn. Mater. 1986. V.62. P.29-35.

35. Magnetic properties of the Nd2(FeixCox)i4B system / Y. Matsuura, S. Hirosawa, H. Yamamoto, S. Fujimura, M. Sagawa // J. Appl. Phys. Lett. 46(3). 1985. P.308-310.

36. Pedziwiatr A.T., Wallace W.E. Spin phase diagrams for R2Fe,4.xCoxB (R=Y, Gd, Pr, Nd, Tb, Er, Tm) // Solid State Comm. V.64, P. 1017-1019.

37. Burzo E., L. Stanciu, Wallace W.E. Magnetic behavior of Y2Fei4.xNixB and Y2Fe,4.xCoxB // J. Less-Common Met. 1985. V.l 11. P.83-86.

38. Jurczyk M., Wallace W.E. Magnetic properties of R2Fei2.xCo2B systems (R=Pr, Nd, Gd) // J. Less-Common Met. 1986 V.124. P.149-154.

39. Yen L.S., Chen J.C., Ku H.C. Spin reorientation in Nd2(Fe0.9Mo.i)i4B (M=Co, Ni, Ru) // J. Appl. Phys. V.61, №5, 1987. P.1990-1994.

40. Magnetic properties of Pr2(Fei.xCox)i4B compounds / F. Bolzoni, J.M.D. Coey, J. Gavigan, D. Givord, O. Morze, L. Pareti, T. Viadieu // J. Magn. Magn. Mater. 1987. V.65. P.l23-127.

41. Pedziwiatr A.T., Chen H.Y., Wallace W.E. Magnetism of the Pr2Fe14.xCoxB system // J. Magn. Magn. Mater. 1987. V.67. P.311-315.

42. Pedziwiatr A.T., Wallace W.E. Magnetism of the R2Coi4.xSixB systems (R=Y, Pr, Nd) // J. Appl. Phys., V.61, N.8 1987. V.67. P.3439-3441.

43. Pedziwiatr A.T., Wallace W.E. Spin reorientations in R2Fei4.xCoxB system (R=Pr, Nd, Er) // J. Magn. Magn. Mater. 1987. V.65. P.139-144 .

44. Pedziwiatr A.D., Wallace W.E. Structure and magnetism of the R2Fe14.xCoxB ferrimagnetic systems (R = Dy and Er) // J.Magn.Magn.Mater. 1987. V.66. P. 63-68.

45. Cadogan J.M. Relative strengths of second-order crystal-field interactions in R2M14B (R = Nd, Pr; M = Fe, Co) // J. Less-Com.Met. 1988. V. 144, P. L15-L17.

46. Relationship between structure and magnetic properties of Nd2Fei4B / J.F.Herbst, J.J.Groat, F.E.Pinkerton, W.B.Yelon // Phys.Rev.B. 1984. V.29. N.7. P.4176-4178.

47. Chin L., Zun-Xiao L., Xiao-Feng X. Magnetic properties of Nd2Fei4.xCoxB and Y2Fei4-xCoxB // IEEE Trans. Magn. 1987. V.23, No.5. P.2296-2298.

48. Magnetic properties of the 3d sublattice in pseudoternary compounds Y2FeJ4 XMXB with M=Co and Mn / Y. Sano, H. Onodera, H. Yamauchi, H. Yamamoto //J.Magn.Magn.Mater. 1989. P.67-75.

49. Givord D., Li H.S., Tasset M. Polarised neutron study of the compounds Y2FeMB and Nd2Fe14B // J. Appl. Phys. 1985. V.57. P.4100-4102.

50. Buschow K.H.J., van Nort H.M., de Mooij D.B. Magnetic and structural properties of Nd2Fe.4B, Th2Fej4B, Nd2Coi4B and related materials // J.Less-Com.Met. 1985, V. 109, P. 79-83.

51. Magnetization and magnetic anisotropy of R2Coi4B and R2(Fei.xCox)i4B measured on single crystals / S. Hirosawa, K. Tokuhara, H. Yamamoto, S. Fujimura, M. Sagawa, H. Yamauchi // J.Appl. Phys. 1987, V. 61, P. 35713573.

52. Villias V., Missell F.P., Magnetic properties of La2(Fei.xCox)i4B and Nd2(Fej. xCox)i4B // J.Appl.'Phys. 1988, V. 64, P. 5549-5551.

53. Structural and magnetic properties of Tm2xDyxFeJ4B and Tm2Fei4.xCoxB alloy systems / F. Pourarian, S.Y. Jiang, L.Y. Zhang, E.B. Boltich, S.G. Sankar, W.E. Wallace // J.Appl. Phys. 1988, V. 64, P. 5540-5542.

54. Jurczyk M. Effect of substitution of A1 and Mo on the magnetic properties of R2Fei2.xTxCo2B (R=synthetic mischmetal, didymium and neodymium) // J.Magn.Magn.Mater. 1988. V.73. P. 199-204.

55. Jurczyk M., Kowalczyk A. Effect of silicon additions on the magnetic properties of Nd2Fe12Co2B alloy // J.Magn.Magn.Mater. 1987. V.68. P.331-334.

56. Matsui M., Doi M., Shimizu Т., Magnetic and mossbauer study on Nd2(Fei. xCoxB) compound // IEEE Trans. Magn. 1987. V. 23, №5, P. 3113-3115.

57. Huang M.Q., Boltich E.B., Wallace W.E. Magnetic characteristics of R2Fe14 xMnxB systems // J.Less-Com.Met. 1986. V. 124, P. 55-60.

58. Fuerst C.D., Herbst J.F., Alson E.A. Magnetic properties of Nd2(CoxFe!x)14B alloys // J.Magn.Magn.Mater. 1986. V.54-57. P.567-569.

59. Magnetic phase transitions and magnetic anisotropy in Nd2Fei4.xCoxB compounds / R. Grossinger, R. Krewenka, X.K. Sun, R. Eibler, H.R. Kirchmayr, K.H.J. Buschow//J.Less-Com.Met. 1986. V.124. P. 165-172.

60. Anisotropy energy of Y2Fei4B, Y2Coi4B, Y2Fei4xCoxB, and La2Coi4B / T. Ukai, K. Yamaki, H. Takahashi, N. Mori // J.Appl. Phys. 1991. V. 69. P. 4662-4664.

61. Effects of hydrogen absorption on the 3d and 4f anisotropics in RE2Fei4B (RE = Y, Nd, Ho, Tm) / L. Pareti, O. Moze, D. Fruchart, P.L. Heritier, A. Yaouanc //J.Less-Com.Met. 1988. V. 142. P. 187-194.

62. On the magnetic anisotropy of the Y2(Coi.xFex)i4B / N.P. Thuy, T.D. Hien, N.M. Hong, J.J. Franse // J.de Phys. 1988. V. 49, №12. P. 579-580.

63. Buschow K.H.J., De Mooij D.B., Brouha M. Magnetic properties of ternary Fe rich rare earth intermetallic compounds // IEEE Trans. Magn. 1988. V. 24. №2. P. 1611-1616.

64. Magnetic properties of a new permanent magnet based on a Nd-Fe-B compound (neomax) / H. Onodera, Y. Yamaguchi, H. Yamamoto, M. Sagawa, Y. Matsuura, H. Yamamoto // J. Magn. Magn. Mater. 1984. V.46. P.151-156.

65. Magnetic properties of Fe-rich rare earth intermetallic compounds / K. Ohashi, Y. Tawara, R. Osugi, M. Shimao // J.Appl. Phys. V. 64. №10. P. 5714-5716.

66. Long G.I., Grendjeam F. Eds. Supermagnets Hard Magnetic Materials // Kluwer Academic Publishers. 1991. P. 680.

67. Coey J.M.D., Sun H., Hurley D.P.F. Intrinsic magnetic properties of new rareearth iron intermetallic series // J.Magn.Magn.Mater. 1991. V. 101, P. 310.

68. Some heat treatment experiments for Nd-Fe-B alloys / M. Tokunaga, N. Meguro, M. Endoh, S. Tanigawa, H. Harada // IEEE Trans. Magn., 1985. V.MAG-21. N.5. P. 1964-1966.

69. Андреев A.B., Дерягин A.B., Исаичев Ю.В., Козлов А.И., Кудреватых Н.В., Москалев В.Н., Плеханов А.Ф. Высокоэнергоёмкие постоянные магниты из сплавов P3M-Fe-B //.-Te3.YTII Всес. конф. по пост. магн. Новочеркасск, 1985. С. 17-18.

70. Birss R. Simmetry and magnetism. 1996. Ed. E.P. Wohlfarth. 265 P. 158-162.

71. Брюхатов H.JI., Киренский JI.В. Влияние температуры на энергию магнитной анизотропии ферромагнитных кристаллов // ЖЭТФ. 1938. Т.8. С. 198-202.

72. Sucksmith W., Thompson J.E. The magnetic anisotropy of cobalt // Proc. Roy. Soc. 1954. V.A225. P.362-375.

73. Dickford L.R. Ferromagnetic resonance absorption in magnetic crystals // Phys. Rev. 1950. V.78. P.449-455.

74. Kneller E. Ferromagnetismus. Springer Verlag, Berlin. 1962.