Магнитные свойства германидов редкоземельных металлов и марганца R-Mn-Ge тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

Введение

Глава 1. Литературный обзор

1.1. Общие сведения о магнетизме редкоземельных соединений с 3(1-переходными металлами и р-элементами. Обменные взаимодействия.

1.2. Кристаллические структуры и магнитные свойства некоторых тройных соединений Ы-Т-Х (Я ~ редкоземельный элемент; Т ~ Мп, Бе, Бс, Т1; X ~ 81, ве, ва)

1.2.1. Особенности кристаллических структур соединений Я-Мп-Х.

1.2.2. Соединения КМп81.

1.2.3. Соединения ЯМпве.

1.2.4. Соединения 1ШпОа.

1.2.5. Соединения ЫБсХ и 1ШХ.

1.2.6. Соединения КМп60е6 и НРе60е6.

1.2.7. Теоретическое рассмотрение магнетизма соединений К-Мп-Ое.

1.3. Выводы из литературного обзора.

Глава 2. Образцы и методики эксперимента.

Глава 3. Основные результаты исследований магнитных свойств соединений КМпОе и КМп6Се

3.1. Соединения БМпСе(К = Ш, ТЬ, Эу).

3.2. Соединения ОсМп^ТУле.

3.3. Соединения КМпОе0.5Оао.5 (11=0(1, ТЬ, Бу, Но).

3.4. Соединения на основе БуМп60е6.

3.5. Соединения Ос^.хЬахМпбОеб.

3.6. Теоретический анализ полевых зависимостей намагниченности соединений ИМпве.

3.7. Выводы.

Публикации по теме диссертации.

Тройные интерметаллические соединения Я-Т-Х (II ~ редкоземельный элемент, Т ~ 5¿/-переходный металл, X — р-элемент) являются объектами интенсивного изучения в течение двух последних десятилетий. Соединения данного класса демонстрируют широкое разнообразие магнитных свойств и характеризуются сложными магнитными фазовыми диаграммами. В ряде составов при изменении температуры обнаруживаются несколько магнитных фазовых переходов.

В настоящей работе основное внимание уделено соединениям с марганцем Я-Мп-Х с редкоземельными элементами итгриевой подгруппы. Ранее соединения данного класса исследовались главным образом методом нейтронографии, и в них были обнаружены достаточно сложные, неколлинеарные антиферромагнитные структуры. Как известно, антиферромагнетики составляют самый многочисленный класс среди магнитоупорядоченных веществ. Заметное повышение интереса к исследованию антиферромагнетизма связано с развитием физики высокотемпературных сверхпроводников, а также физики магнитных мультислоев и сверхструктур.

Соединения с марганцем Я-Мп-Х представляют особенный интерес ввиду того, что в таких соединениях носителями магнитного момента являются как редкоземельные атомы, так и атомы марганца. Эти две магнитные подсистемы, взаимодействующие между собой, ответственны за интересные и разнообразные магнитные свойства соединений Л-Мп-Х. В случае Т = Бе, Со, N1 магнитный момент атомов 5с?-металлов в соединениях некоторых стехиометрий (например ЯТХ, КТ2Х2) отсутствует. Интерес к соединениям Я-Мп-Х обусловлен в том числе и тем, что многие из них обладают достаточно высокими температурами магнитного упорядочения (200 - 600 К) , что создает возможность их использования в технических устройствах (термомагнитные датчики и др.), работающих в области климатических температур.

Заслуживает внимания тот факт, что кристаллическая структура и магнитные свойства соединений Я-Мп-Х оказываются весьма восприимчивы к различным замещениям, особенно в подсистемах Зй-металла и р-элемента. Варьирование концентраций атомов замещения позволяет изменять как величины температур магнитных фазовых переходов, так и характер магнитного упорядочения в * соединениях Я-Мп-Х.

Синтез соединений с марганцем Я-Мп-Х сопряжен с рядом трудностей, связанных с высокой летучестью марганца, а в случае замещений ~ наличием четырех компонент с различными температурами плавления. В связи с этим для получения однофазных образцов соединений И-Мп-Х необходимо применять высокочистые исходные компоненты и специальные методики синтеза (плавка через лигатуру и др.). ф Соединения Л-Т-Х и, в частности, Я-Мп-Х являются модельными объектами для изучения как прямых, так и косвенных обменных взаимодействий между магнитными атомами и их зависимости от межатомных расстояний. Эти соединения являются высококоррелированными системами, в которых магнитная структура существенно зависит от типа 3(1- и р-элемента. Раскрытие физических механизмов, отвечающих за свойства этих соединений, определение взаимосвязи кристаллической структуры и магнитного упорядочения, изучение влияния замещений на кристаллическую структуру и магнитные свойства необходимы как с ^ фундаментальной, так и с прикладной точек зрения. Результаты диссертационной работы могут быть положены в основу разработок новых магнитных материалов на основе редкоземельных элементов, марганца, германия, галлия с высокими значениями температур магнитного упорядочения и магнитного момента насыщения. Практический интерес представляет изученная в работе для ряда составов корреляция между характером магнитного упорядочения и величинами межатомных расстояний, которые зависят от параметров кристаллической структуры и концентрации атомов замещения.

Основными объектами исследований работы являются соединения германия ЯМпве и ЯМп60е6 с марганцем и редкоземельными элементами иттриевой подгруппы: ЯМпОе!.^* (К = вё, ТЬ, Бу), ОсМп^Т^Ое, КМпОе0.5Оао.5 (Я = вё, ТЬ, Бу, Но), а также вс11.хЬахМп6Се6, ВуМп60е6 и соединений на его основе ОуМп5РеСе6, БуМп5СоСе6, Вуо.88т0.2Мп6Ое6, ВуМп60е581

Задачей диссертационной работы являлось получение основных магнитных характеристик новых интерметаллических соединений И-Мп-Се, изучение ф трансформации их магнитных структур в сильных магнитных полях, изучение влияния замещений в соединениях ¡Шиве и ЯМп6Оеб на их магнитные свойства, изучение взаимосвязи кристаллических и магнитных свойств. Основное внимание в настоящей работе уделено поведению намагниченности новых магнитоупорядоченных веществ Я-Мп-Ое в сильных магнитных полях.

Диссертация состоит из трех глав.

Первая глава представляет собой литературный обзор по кристаллическим структурам и магнитным свойствам соединений ИМпХ, ЯБсХ, ИПХ, КМп60е6, КРе60е6, при этом основное внимание уделено соединениям с редкоземельными элементами иттриевой подгруппы.

Во второй главе описаны экспериментальные методики, приводятся данные о кристаллических структурах и параметрах решеток исследованных соединений.

В третьей главе описаны полученные в диссертационной работе экспериментальные результаты исследований магнитных свойств соединений Н-Мп-ве, приводятся обсуждение и интерпретация полученных результатов. В заключительной части диссертационной работы формулируются основные выводы.

3.7. Выводы

1. Особенности поведения температурных зависимостей магнитной восприимчивости Ос1МпСе позволяют заключить, что данное соединение является сложным антиферромагнетиком с температурой Нееля Тм=350 К, в котором при Т^ЮО К происходит низкотемпературный магнитный фазовый переход в спиральную структуру. Изменение характера кривизны изотерм намагниченности а(Н), измеренных в интервале низких температур 4.2-60 К, указывает на трансформацию спиральной структуры в магнитных полях выше критического (Нкр « 80 Юе при 4.2 К).

2. Результаты исследований намагниченности и магнитной восприимчивости соединения СёМгЮе позволяют заключить, что в данном соединении магнитное упорядочение редкоземельной подсистемы индуцируется магнитным упорядочением марганцевой подсистемы вследствие возникновения обменного поля на позициях, занимаемых редкоземельными атомами.

3. Замещение марганца на титан в всШпОе в области малых концентраций титана (х <= 0.2) изменяет температуру магнитного упорядочения и характер магнитного упорядочения (для х => 0.1). Данное замещение в ^-подсистеме приводит к изменению магнитной структуры от антиферромагнитной к сложной неколлинеарной структуре с ферримагнитной составляющей магнитного момента.

4. Поведение намагниченности соединений ИМпве (Я^вё, ТЬ, Оу) в сильных магнитных полях характеризуется особенностями при критических значениях поля, что связано с трансформацией магнитной структуры и метамагнитными переходами.

5. Изотермы намагниченности исследованных соединений ТЬМпОе и БуМпве согласуются с теоретическими кривыми намагничивания, построенными по формулам Эрпина-Мериела при значениях магнитных параметров, определенных экспериментально в данной работе, что указывает на трансформацию спиральной структуры в магнитном поле.

6. Определены основные магнитные характеристики (температуры магнитного упорядочения, парамагнитные температуры Кюри, эффективные магнитные моменты) новых соединений ЯМпСео^Сао^ (1^ = вё, ТЬ, Оу, Но). Показано, что изменение кристаллической структуры от орторомбической к гексагональной при замещении германия на галлий приводит к появлению * ферримагнитной составляющей суммарного магнитного момента (при И. = вс1, ТЬ), что следует из особенностей поведения температурных и полевых зависимостей намагниченности этих соединений.

7. Обнаружены аномальные температурные зависимости намагниченности в соединении ОуМп6Ое6, которые объясняются на основе ранее полученных нейтронографических данных. Показано, что в соединениях на основе ВуМп6Се6 с замещениями в подсистеме марганца кобальтом и железом (ОуМп5СоОе6 и р ОуМп5РеСе6) особенности температурных зависимостей намагниченности обусловлены тем, что при понижении температуры сначала упорядочиваются магнитные моменты атомов З^-элементов, а затем при значительно более низкой температуре упорядочиваются магнитные моменты диспрозия с ферримагнитным расположением магнитных моментов редкоземельных ионов и 3(1-ионов.

Публикации по теме диссертации

По теме диссертации подготовлено 13 публикаций.

1. Effect of Ga substitution for Ge on magnetic and crystal properties of the GdMnGeixGax intermetallics. Т. I. Ivanova, S. A. Nikitin, A. E. Bogdanov, A. V. Morozkin, W. Suski, J. K. Warchulska. Intermetallics, 13, 2005, p.857-861

2. Магнитные свойства соединений TbMnGe и TbMnGeo.5Gao.5- A. E. Богданов, Т. И. Иванова, А. С. Андреенко. Вестник Московского университета. Серия 3. Физика, астрономия. 2005 г., № 3, с.36-38

3. A magnetic study of TiNiSi-type GdMnj.xTixGe alloys. Т. I. Ivanova, S. A. Nikitin, A. V. Morozkin, I. A. Ovchenkova, A. E. Bogdanov, W. Suski, J. K. Warchulska, A. Gilewski. Journal of Alloys and Compounds, 365, 2004, p. 15-20

4. Особенности поведения намагниченности и магнитной восприимчивости нового интерметаллического соединения GdMnGe. Т. И. Иванова, А. Е. Богданов, И. К. Вархульская, А. В. Морозкин, С. А. Никитин. Вестник Московского университета. Серия 3. Физика, астрономия. 2003 г., N 3, с. 27-30.

5. Исследование намагниченности соединений TbMnX (X=Si, Ge) в сильных магнитных полях. А. Е. Богданов, Т. И. Иванова, О. Д. Чистяков, Г. С. Бурханов. Сборник трудов XIX международной школы-семинара "Новые магнитные материалы микроэлектроники", Москва, 2004, АЮ-20, с. 191

6. Процессы намагничивания в соединениях DyMn6Ge6 и DyMn5CoGe6. А. Е. Богданов, А. В. Морозкин, С. А. Никитин, Т. И. Иванова. Сборник трудов XVIII международной школы-семинара "Новые магнитные материалы микроэлектроники", Москва, 2002, ВЦ-11, с. 520

7. Магнитные свойства новых тройных интерметаллических соединений GdixLaxMn6Ge6 (х = 0.1, 0.2, 0.3). С. А. Никитин, А. Е. Богданов, О. Д. Чистяков, Г. С. Бурханов, И. JI. Козлов. Сборник трудов

XVII международной школы-семинара "Новые магнитные материалы микроэлектроники", Москва, 2000, АЮ-29, с. 220

8. К. П. Белов, С. А. Никитин, А. Е. Богданов, Т. И. Иванова, О. Д. Чистяков, Г. С. Бурханов. Новые магнитные материалы на основе соединений Gd!.xLaxMn6Ge6 (х=0.1, 0.2, 0.3). Материаловедение, N 2, 2002, с. 32-33.

9. Т. I .Ivanova, S. A. Nikitin, I. A. Ovchenkova, А. Е. Bogdanov, A.V. Morozkin, J. К. Warchulska. The magnetic properties and crystal structure of the GdMnGe intermetallic compound. The European Conference PHYSICS OF MAGNETISM'02, ABSTRACTS, P-4-16, p.122

10. A. E. Bogdanov, A. V. Morozkin, Т. I. Ivanova, S. A. Nikitin, J. K. Warchulska. The influence of substitutions on the magnetization processes in compounds based on DyMn6Ge6. The European Conference PHYSICS OF MAGNETISM'02, ABSTRACTS, P-4-17, p.123

11. A. E. Bogdanov, A. V. Morozkin, Т. I. Ivanova, S. A. Nikitin, J. K. Warchulska. The magnetic behaviour of new compounds based on DyMn6Ge6. Moscow International Symposium on Magnetism, June 20-24, 2002, Book of Abstracts, 24P011-04, c. 323

12. С. А. Никитин, A. E. Богданов, Ю. А. Овченкова, Т. И. Иванова, М. В. Масленникова, Г. С. Бурханов, О. Д. Чистяков. Новые магнитные материалы на основе соединений R-Mn-Ge(Si). XIII Международная конференция по постоянным магнитам. 25-29 сентября 2000 г. Суздаль, Россия. Тезисы докладов. А-2-01, с.68.

13. С. А. Никитин, Г. С. Бурханов, А. Е. Богданов, О. Д. Чистяков, И. JI. Козлов. Синтез германидов редкоземельных металлов повышенной чистоты и исследование их магнитных свойств. XVI Научное совещание "Высокочистые материалы с особыми физическими свойствами". Суздаль, Россия. 27 сентября - 1 октября 1999 года. Тезисы докладов. 2-301, с.59-60.

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

2. К. Тейлор. Интерметаллические соединения редкоземельных металлов. ~ М.: Мир, 1974,220 с.

3. К. Тейлор, М. Дарби. Физика редкоземельных соединений. ~ М.: Мир, 1974, 374 с.

4. А. О. Pecharsky, К. A. Gschneidner Jr., V. К. Pecharsky. The giant magnetocaloric effect between 190 and 300 К in the Gd5SixGe4-x alloys for 1.4<=x<=2.2. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 267,2003,60-68

5. Гуденаф Д. Магнетизм и химическая связь. ~ М.: Металлургия, 1968,325 с.

6. Е. А. Туров. Физические свойства магнитоупорядоченных кристаллов. — М.: Издательство Академии Наук СССР, 1963,224 с.

7. Е. А. Туров, А. В. Колчанов, В. В. Меныиенин, И. Ф. Мирсаев, В. В. Николаев. Симметрия и физические свойства антиферромагнетиков. М.: Физматлит, 2001, 559 с.

8. А. С. Боровик-Романов. Лекции по низкотемпературному магнетизму. Новосибирск, 1976,50 с.

9. С. Тикадзуми. Физика ферромагнетизма. Магнитные свойства вещества. М.: Мир, 1983,302 с.

10. С. Тикадзуми. Физика ферромагнетизма. Магнитные характеристики и практические применения. М.: Мир, 1987,420 с.

11. Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц. Электродинамика сплошных сред. М.: Наука, 1982, 620 с.

12. С. В. Вонсовский. Магнетизм. Магнитные свойства диа-, пара-, ферро-, антиферро-, и ферримагнетиков. М.: Наука, 1971,1032 с.

13. А. С. Илюшин. Основы структурной физики редкоземельных интерметаллических соединений. Учебное пособие. Москва, 2005,174 с.

14. К. П. Белов, А. К. Звездин, А. М. Кадомцева, Р. 3. Левитин. Ориентационные переходы в редкоземельных магнетиках. М.: Наука, 1979,317 с

15. С. А. Никитин. Магнитные свойства редкоземельных металлов и их сплавов. — М.: МГУ, 1989,248 с.

16. К. П. Белов, М. А. Белянчикова, Р. 3. Левитин, С. А. Никитин. Редкоземельные ферромагнетики и антиферромагнетики. ~ М.: Наука, 1965,319 с.

17. К.П. Белов. Магнитострикционные явления и их технические приложения. — М.:Наука, 1987,159 с.

18. J. Friedel, G. Leman, and S. Olszewski. On the Nature of the Magnetic Couplings in Transitional Metals. Journal of Applied Physics, supplement to vol. 32, № 3,1961

19. A. Szytula. Crystal structures and magnetic properties of RTX rare earth intermetallics. — Jagiellonian University Press, Krakow, Poland, 1998, 82 c.

20. E. И. Гладышевский, О. И. Бодак. Кристаллохимия интерметаллических соединений редкоземельных металлов. Львов, 1982,253 с.

21. С. А. Никитин, Т. И. Иванова, О. В. Некрасова, Р. С. Торчинова, Ю. Ф. Попов, О. Н. Корясова, Е. А. Ключникова. Магнитные свойства соединений редкоземельных металлов с марганцем и кремнием. Физика металлов и металловедение, 1987,64 (6), 1071-1075

22. G. Venturini, I. Ijjaali, Е. Ressouche, В. Malaman. Neutron diffraction study of the HoMnSi, LuMnSi and Sco.gLuo.iMnSi compounds. Journal of Alloys and Compounds, 1997,256,65-75

23. S. A. Nikitin, I. A. Tskhadadze et. al. Negative magnetic moment induced by a magnetic field in the region of the magnetic phase transition in SmMnSi compound. J. Phys. D, 1999,32, L23-L25

24. S. A. Nikitin, I. A. Tskhadadze et. al. The influence of Ti on the itinerant magnetism of RTX compounds. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 1999,196-197, 632633

25. С. А. Никитин, О. В. Некрасова, Т. И. Иванова и др. Магнитные свойства соединений GdxLai.xMnSi. Физика твердого тела, 1991, том 33, N 6

26. Ю. А. Овченкова. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. МГУ, 2000

27. С. А. Никитин, Т. И. Иванова, Ю. А. Овченкова, М. В. Масленникова, Г. С. Бурханов, О. Д. Чистяков. Влияние межатомных расстояний на магнитное упорядочение соединений RMnSi (R=La, Y, Sm, Gd). Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. 2, с. 297-300

28. I. Ijjaali, R. Welter, G. Venturini, В. Malaman. Refinements of the TiNiSi-type RMnSi (R=Tb, Lu, Sc) and DyCoSi structures from single crystal X-ray diffraction. Journal of Alloys and Compounds, 1999,292,4-10.

29. R. Welter, G. Venturini, I. Ijjaali, B. Malaman. Magnetic study of the new TiNiSi-type TbMnSi, DyMnSi and NdMnGe compounds. Journal of magnetism and magnetic materials, 1999,205,221-233

30. R. Welter, G. Venturini, E. Ressouche and B. Malaman. Magnetic properies of TbMnSi, determined by susceptibility measurements and neutron diffraction study. Journal of Alloys and Compounds, 1994,210,273-277

31. Т. И. Иванова, С. А. Никитин, M. В. Масленникова, 3. С. Умхаева. Магнитные и магнитоупругие свойства соединений TbMnSi и Tbo.5Lao.5MnSi. Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 5, с. 854-857

32. Т. I. Ivanova. The magnetic properties of the TbxLai.xMnSi intermetallic compounds. The Vlth Praque Colloquium on f-electron systems, Charles University, Praque, July 59,2002, Program and abstracts, P27.

33. R. Welter, G. Venturini, B. Malaman. High Rare Earth Sublattice Temperatures in RMnSi Compounds (R = La-Sm, Gd) Studied by Susceptibility Measurements and Neutron Diffraction. Journal of Alloys and Compounds, 1994,206,55-71

34. H. Kido, M. Shimada, M. Koizumi. Synthesis and Magnetic Properties of GdCoSi and GdMnSi. Phys. Stat. Sol. (a), 1982,70, K23-K26

35. H. Kido, T. Hoshikawa, M. Shimada, M. Koizumi. Preparation and Magnetic Properties of YMnSi. Phys. Stat. Sol. (a), 1985,88, K39-K43

36. A. V. Morozkin, Yu. D. Seropegin, I. A. Sviridov. Crystallographic data of new ternary TiNiSi (Co2Si)-type RMnGe (R = Sm, Gd, Dy-Tm) compounds. Journal of Alloys and Compounds, 1998,269, LI.

37. V. Klosek, A. Verniere, B. Ouladdiaf, B. Malaman. Crystal and magnetic structures of the R(=Y, Dy-Tm)MnGe compounds. Journal of magnetism and magnetic materials, 2003, 256,69-92

38. G. Venturini, B. Malaman, E. Ressouche. Neutron diffraction study of the TbMnGe compound. Journal of Alloys and Compounds, 1996,243,98-105.

39. G. Venturini, B. Malaman. X-Ray single crystal refinements of TbMnGe, Tb3Mn4Ge4 and TbMnsGe3 compounds. Journal of Alloys and Compounds, 1997,261,19-25.

40. B. Tyszka, J. Szade. Magnetism and crystal structure of GdTii.xMnxGe. Journal of Alloys and Compounds, 2003,354,64-71.

41. M. L. Fornasini, F. Merlo, A. Palenzona, M. Pani. Valency changes of ytterbium in YbMnGe and in the YbMnSij.xGex pseudo-ternary system. Journal of Alloys and Compounds, 2002,335,120-125.44