Магнитные свойства интерметаллических соединений редкоземельных металлов с алюминием и металлами группы железа при высоких температурах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

ШСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЩЩ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. ЛОШНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи УДК 538.214:546.65:669.85/86

САЙШЛАЕВА ДИЛОРОМ АБДУЛЛАЕВНА

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ИНТЕРМЕТАЛЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ С АЛШШИЕМ И МЕТАЛЛА!,5И ГРУШЫ КЕЛЕЗА ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

01.04 .II - Физика магнитных явлений

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва ~ 1991

Работа выполнена 'на кафедре магнотизыа физического факультета Самаркавдского государственного университета им. А. Навои.

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат физико-математических наук, доцэнт Кувандиков О.К. заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор физико-математических наук, профессор Белов К.П.,

член-кор. АПН СССР, доктор физико-математических наук Буравихин В.А. Калининский государственный университет

Защита диссертации состоится " /<? часов 2>& минут на заседании специализированного

1991 года

совета Я 3 ООТТ (К.053.05.77) в МГУ им. М.В. Ломоносова по адресу: П9899, Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет,,,аудитория С ФА.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им, М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан

/г

1991 г.

в

Ученый секретарь специализированного

совета № 3 ОФТТ в МГУ иг/Г^М .В Ломоносова,

кандидат физико-математических наук Т.М. Козлова

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Редкоземельные металлы (РЗМ) и их многочисленные соединения вызывают большой интерес в связи с тем, что на основе их можно создавать новые материалы для техники, в частности, материалы с особыми магнитными свойствами. Однако для этого необходимо иметь подробную информации об их электронной, кристаллической и магнитной структурах. Несмотря на большое число проведенных исследований эта информация еще недостаточна. Особенно мало сведений имеется в литературе о магнитных свойствах РЗМ и их соединений в области высоких температур, при которых они находятся гсак в твердом, так и адком состояниях.

В настоящей диссертация была поставлена задача получить-подробные оведения о магнитных свойствах ряда редкоземельных металлов и их соединений с /[С- и переходными металлами, ( , Со и У1 ) при высоких температурах как в твердом, так и жидком (раоплавленном) состояниях. Этим и определяется актуальность темы данной диссертации.

Делью работы является изучение магнитных свойств интерметаллических соединений редкоземельных металлов и пх соединений с и переходными металлами (Ш) при высоких температурах (охватывающих твердое и жидкое состояние) путем решения следующих задач:

1. Синтез интерметаллических соединений.

2. Исследование температурной зависимости магнитной восприимчивости чистых РЗ' ( (тй- , ~ПУ , Но , ) и их соединений о алшинием в твердом и жидком состояниях в интервале температур от 20°С до 1700°С.

3. Исследование температурой зависимости магнитной восприимчивости чистых Ш (/\г , Со , Уи ) и соединений гадолиния с ЕМ в твердом и яидком состояниях в интервале температур от 20°С до 1700°С.

4. Проверка применимости некоторых моделей магнетизма к описанию экспериментальных результатов как для твердых, так и' для жидких состояний.

Научная новизна. Впервые получены экспериментальные данные по измерении магнитной восприимчивости соединений РЗМ ( (гЖ, Юу .Но , Ег ) С алшинием и соединенна &е± с Щ

(.Fe. t Co ,tJi), 0хв21ш32у№3 их тгзрдоо 00ст0лни8, г.50ц800 плавления и жидкое состояние.

Практическая ценнооть. Полученные результаты по исследованию магнитнйх свойств твердых и жвдких соединений РЗМ с алюминием и ПМ могут быть попользованы при изучении их электронной и магнитной структуры, при создании новых когнитеых материалов и усовершенствовании теории магнетизма PbL!, ЕМ и ах соединений.

Автор зашшшет:

- Результаты синтеза интерметадлических соединений F3M с ПМ ( Fe , Со , tJi ).

- Результаты исследований парамагнитной восприимчивости чистых РЗМ ( QcL ,71ц , Но . £г ) и кх ооедивоний о аляыинием в твердом и жидком состояниях.

- Результаты исследований парамагнитной Босприимчивооти чиотых ПМ ( Fe , Cd » f/i ) и соединений гадолиния о ПМ в твердом и жидком состояниях.

- Анализ данных об изменении восприимчивости при плавлении РЗМ и их соединений о А & и ПМ.

- Результаты расчета на оонове экспериментальных данных маг нитных характеристик изученных объектов в зависимости от температуры и состава.

Апробация работы.

Материалы диссертационной работы докладывалиоь на 7 Всесоюзном оимпозиуме "Магнативм редкоземельных соединений* (Москва, 1989 г.), на УП Воесоюзной конференции "Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов" (Челябинск, 1990г.), Республиканской конференции молодых ученых-физиков ВУЗов (Ташкент, 1988 г.), на П-ой городской научно-теоретической конференции молодых ученых и специалистов (Самарканд, 1990 г.) и научных .конференциях професоороко-преподавательокого ооотава СаыГУ (Самарканд, 1987-1990 гг.).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано шеоть печатных работ.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и заключения. Она изложена на 135 страницах машинописного текста и содержит 36 рисунков, I? таблиц и описок литературы из 120 наименований

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы ее основная цель, научная новизна и практическая ценность.

В первой главе приводится обзор литературы, посвященной атомной, кристаллической и зонной структур РЗЛ, Ш и их соединений. Кратко рассматриваются теории парамагнетизма Ван-Флека и косвенного обменного взаимодействия в P3J, ПМ и их соединениях, излагаются основные экспериментальные результаты по изучению парамагнитных свойств чиотых Р31 и их соединений о алюминием, чиотых Ш и их соединений о гадолинием. Здесь основное внимание уделяется тем вопросам, которые непосредственно связаны с темой диссертации. Приводятся данные в виде таблиц о параметрах репе-гок, структурных типах и парамагнитных свойствах РЕМ и их соединений с алшинием, IM и их соединений о гадолинием. В конце главы сделано заключение о том, что ограниченность информации о магнитных свойствах исследуемых металлов и соединений делает необходимость дальнейшего накопления прецизионного экспериментального материала об их характеристиках при высоких температурах с целью полного понимания их магнитной природы, установления их электронной структуры и выяснения влияния слабомагнитного металла и сильномагнитного металла на магнитные характеристики РЕМ. Затем сформулированы задачи исследования диссертационной работы.

Во второй главе описана экспериментальная установка и методы исследования магнитной восприимчивости при высоких температурах, а также способы и методы приготовления образцов.

В работе для приготовления образцов использовались металлы высокой чиототы: А^- (99,995?), Gd. и £г (99,75^),

Но (99,9252), Со (99,352), Д£ (99,95$) и Fe (99,94^). Соединения Р2М о Aß оинтезировали в молибденовых тиглях, а соэдавегкя 6d. о Ш - в тиглях из окиси алшпвия и бериллия, которые проявляют химическую отойкость одновременно к указанным мегаллзи. Тигли имели полезный объем 120-180 лпи3. Высокая летучесть РШ, а тек-zq их активное взаимодеЗствие с газами и неметаллическими примесями Еызгали необходимость герметизации тиглей и использования инертной атмосферы с избыточным давлением в камерах нагрева.

Интерметалличэспие соединения Gd с El { Fe , Со , Д1' )

синтезировались сплавлением шихты исходных материалов, взвешенных на аналитических веоах типа ВЛМ-200-Ш с точноотью до 0,01 г, в вакуумной электродуговой печи на медном, водоохлаждаемом поддоне с нерасходуемым вольфрамовым электродом в атмосфере очищенного аргона. Контроль состава сплава осуществлялся путем сравнения веса шихты о весом сплава. Образцы после сплавления отжигали в запаянных под вакуум кварцевых ампулах в муфельных печах с автоматической регулировкой температуры. Температура и время отжига устанавливались в зависимости от состава и диаграмм фазового равновесия образцов. После откига образцы закаляли в холодной .воде.

Исследуемые соединения в системе РЗМ-А£( РЗМ- Gd. , 27 9 , Но , Ер ) готовили следующим образом. Очищенную от окионой пленки навеску алюминия и необходимого по составу интерметаллида количества РШ помешали в тигель и быстро запреосовывали, а затем сплавляли в экспериментальной установке в атмосфере гелия о избыточным давлением 0,2 + 0,3 атм. Для гомогенизации проводили многократную плавку в интервале Tnh~ Т = ^ЮО°С и отжиг при температуре 7* "T^^-iDO'c в течение 1-2 чао. Весовой контроль показал, что испарение компонентов в процессе выплавки и измерений не превышает ¿0,3/2 от исходного веса тигля с шихтой.

Рентгенофазовый анализ исследуемых образцов проводили методом Дебая-Шерера (метод порошка). Рентгенограммы снимались на аппаратах УРС-55 в камерах РКД (ца хромоеом излучении, экспозиция 1,5-2 часа). ' ''

Далее описывается конструкция экспериментальной установки для измерения восприимчивости прп высоюсс температурах и подробно анализируются ошибки измерения магнитной восприимчивости на этой установке. Чувствительность установки по составляла 5.10" сы^/г на деление шкалы. В качеотве силового индикатора использовались вертикальные маятниковые весы. Существенное преимущество этих Бесов заключается в том, что чувствительность установки может широко варьироватьоя изменением центра тяжести маятника относительно точки опоры последнего, которое осуществляется о помощью оыенного подвижного груза. Измерения проводились по методу Фарадея о компенсацией отклонений на нуль. Неоднородное магнитное поле создавалось электромагнитом типа ФЛ-1, онабженным наконечниками специальной формы, которые обеспечи-

вала, постоянства произведения Ни на участке порядка

12 мм вдоль линии перемзщения образца.

Для исследования температурной зависимости магнитной восприимчивости использовался трубчатый нагреватель из графита, изготовленный в виде бифиляра для исключения влияния собственного магнитного поля нагревателя на результаты измерений. Для получения стабильного температурного поля а для устранения нон-взяцпокпых потоков нагреватель окружался цилиндрическими экранами из молибдена и оклей бериллия. При этом печь обеспечивала однородную зону температуры протяженностью 25 мм. Моснсзть печи при 1СОО°С составляла 8 кВт. Магнитные весы и нагреватель помещались в водооулаадаемуо камеру, заполняемую инертным газом после

предварительной откачки до Ю-4 мм рт.ст.

Подробный анализ показал, что суммарная оапйка изыэрония' X г/а описанной установке не превышала 2%.

В третьей главе гзлагаются и обсуждаются основные экспериментальные результаты исследования магнитной восприимчивости образцов полученных систем.

В первом параграфе главы приведены и обсуждены результаты исследования магнитной восприимчивости гадолиния, диспрозия, гольмия и эрбия, а также всех их соединений с алюминием в твердом и ладком состояниях. Анализ экспериментальных данных температурной зависимости для всех изученных чистых РШ показал, что % уменьшается с ростом температуры ( ^ О ), как в твердом, так и в жидком состояниях. Следует отметить, что зависимость %'Чт) для чистого гадолиния описывается модифицированным законом Кюри-Вейсса:

1 =%0+ с/ст-Ъ), а)

где "Х0 = 5-КГ6 г-1.см3 - температурно-независимый вклад в восприимчивость, который связан с парамагнетизмом Паули и ван-Слека. Температурная зависимость "X для чистого диспрозия, голы^л и эрбия следует закону:

% = с/С , (2)

как в твердом, таг: и в жидком состояниях. Значения С и &р в закона (2) были раоочитаны мето.г»а нп'ченьикх квадратов

после cratjtaiOTacKoS обреЗоткг гксперименгалылых гасисимс-стеа Х'*(Т) этих металлов. Пока£«шс, что вклад в % парамагнетизма Бан-Флейа у гадоллкия сравним с температурно- зависимым членом и прл шсокдх темпереъурах влияет на температурный ход

его магветнзй воопрлвлзуййи. Дда диспрозия, гольмия и эрбия

7 7 7

ван-флзковскиЗ член оказало* о,54«10 , 6,21.10" и 1,50»10~'

х'-^.с:.!^ соответственно, т.е. пренебрежимо малой величиной и

почти нз влияет на температурный ход их восприимчивости.

Результаты исследований показывают, что ни полиморфный переход, ни процесс плавления не вызывают разрыва кривых зависимости Ж"'??) изученных РЗМ (рис. 1-2). Эффективные магнитные моменты, вычисленные по зависимости %~1(Т) » изменяются очень незначительно (2-4/S) при плавлении этих металлов. Это свидетельствует о том, что У/ -электроны, ответственные за магнитные свойства изученных РЗМ, имеют очень сходные конфигурации и квантовые числа У в твердом и жидком состояниях.

Экспериментальные донные показывают, что с увеличением температуры всех интерметаллических соединений систем РЗМ-/К уменьшается, как для твердого, так и для жидкого состояний, обнаруживая несущественные изменения при температурах плавления. При плавлении для соединений £г А£% и /{£3 наблюдается небольшой скачок, абсолютное значение которого быстро убывает с ростом концентрации РЕМ, а при юс малых содержаниях переход в жидкое состояние сопровождается изменением магнитной восприимчивости (%3k~XtS)f%1s-lti%l/"Хте на 2-4$.

Анализ концентрационных зависимостей % в изученных системах показывает, что при всех температурах с

ростом стехиометрического соотношения алюмяасп в соединениях наблэдаегся нелинейное убывание % как в твердом, так и в жидком состояниях.

Следует подчеркнуть, что, температурные зависимости (риг. I) синтезированного гак в земных, так и в космических условиях соединения практически не отличаются друг от друга и они подчиняются закону Кюри-Вейссэ (I).

Обработкой методом наименьших квадратов зависимости X (Т) иптермегаллидоБ в системах ( , 2у , Но , ) били

расочиганы температуры Кюри ( 9р ) и постоянные Кюри-Вейсса (б ). Полученные данные использовались для определения эффек-

Рис. I. Температурные зависимости обратного значения магнитной • восприимчивости ин терме та ллидов в системах и

739-/)£ . 6 - литературные данные, 7 - измерено при озслаидеиии.

Piro. 2. Температурные зависимости обратного значения магнитной восприимчивости кнтерметаллпдсв в системах и'

£>-/?£. . 7-8 - смотри подпиоь к рис. I.

тивнога «:.хП:;гг5;!>*-с йен*-- с , «■»д.оййг-вгеоя на одап асом РЖ. Значения /»£ оказал;;«. йтевь йп*'зки к их теоретическим значениям равным: <7,94, 10,04, 5,54, 10,60д/£) соответственно для ионо» (г;*5'' , Цу'* , £/* 34 , рассчитанным по известной формула: /л = £<? (•'+')Л, где ^ - спектроскопические у » фактор^ - механический момент ооновного состояикл Еоаа РШ,:>+.

Во всем исследуемом интервале температур значения для твердого и жидкого состояний мало отличаются друг от друга. Этс свидетельствует о том, что квантовые состояния У/ -элект-.ропои в изучаемых соединениях локализованы в ионах .

Поэтому конфигурации и квантовые числа -электронов в указанных объектах не изменяются при переходе из твердого состояния а жидкое.

Оценены параметры косвенного обменного взаимодействия (А ) в соединениях систем РЕ.'.- А £ . Значения А с изменением концентрации атомов А £ в соединениях меняются немонотонно.

Во втором параграфе третьей главы приведены и обсуздены результаты исследования магнитной восприимчивости железа, кобальта и никеля, а также соединение гадолиния с этими ГОЛ в твердом и жидком состояниях. Магнитная восприимчивость железа меняется с температурой слошшм образом. Из рис. 3 видно, что фазовые превращения, происходящие при 910, 1395 и 1539°С вызывают скачок я! • При плавлении железа уменьпается. На зависимости кидкого соотояния'прк. температуре 1650°С обнаружена слабая аномалия, которую некоторые исследователи связывают с изменением структуры ближнего порядка.

Зависимость кобальта резко убывает с температу-

рой гак в твердом, тек и в гадком состояниях.

Зависимость %~'(Т) никеля во Есей изученной области температур описывается кривой с^огнутостью, обращенной к оои температур. ^

Для соединения системы 7С в районе температур

750-780°С увеличивается скачкообразно, по-видимому, из-за полиморфного превращения в кристаллической структуре этих соединений (те1Ре2 , (гЫ-Р^з И (рис. 3), Далее с ростом температуры до температуры солидуса ( ) X"4 этих соединений описываегоя законом Нэеля.

Анализ зависимости для соединений системы

ЬОО 800 1200 15В0 Г'с

500 1гсз 1,чоо т "с

Рио. 3. Температурные зависимости обратной магнитной восприимчивости интерметаллидов в системах СтсС - ЕМ ( Ре, Со ). Для наховдения истинных'значений образцов надо вычесть числа в скобках от числа находящегося по оси

Я*'.

(*d.'Fe показал, что в жидком состоянии они описываются законом Кюри-Вейсса.

Для соединения GcL3Co зависимость %(Т) описывается законом Кюри-Вейсса как в твердом, так и в жидком состояниях (рио. 3). Ход зависимости %'/СТ) в твердом состоянии соединения CrcL Со г , Gtttf Со^ и Erd Со, приблизительно до 400°С имеет линейный характер,а в интервале температур 400-Э00°С - олокный, далее при температурах Т > 900°с подчиняется закону Нееля. Зависимость % (Т) для соединения в-Лг С°<? и G-d. Coj-при Т > 900°С также подчиняется закону Нееля.

Процесс плавления всех изученных образцов не оказывает заметного влияния на ход зависимости %~*(Т) .

Для соединения системы Gd-tfL зависимости %(Т) (рис. 4) хорошо описываются модифицированным законом Кюри-Бейсса, температурно-независищй член при высоких темпе-

ратурах оказывает незначительное влияние на температурный ход их магнитной восприимчивости.

Анализ процессов плавления образцов показал, что в GdjJi^ (rdtf¿, Gal [J¿2. на зависимости Х'^СТ) наблхщается лишь из-

Рис. 4. Температурные зависимости обратной магнитной восприимчивости нитерметаллидсв в системе ~/Л . Для нахождения истинных значений I"1 образцов надо вычесть числа в скобках от числа находящегося по оси ,

Обработкой методом наименьших квадратов зависимости интерметаллидов в системах (с учетом Хо )• (rcL'Co

и Qrd 'Fe. в жидком состоянии были рассчитаны температуры Кюри 6р и постоянные Кюри-Нейсса ( <2 ). Затем эти данные использовались для расчета эффективного магнитного момента, приходящегося на один атом Р3.1. Следует отметить, что температуры фазовых переходов всех исследованных соединений хорошо согласуются с диаграммой фазового равновесия изученных систем.

Оценены параметры обменного взаимодействия f\ для соединений систем Gct - Ш { Fe. , Со , Г/с ) я показано, что orra в твердом и жидком состояниях отличаются друг от друга на порядок величины,при этом з твердом состоянии этот параметр больше, чем в яидком состоянии.

•" ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Епервые при высоких температурах до о- 2000 К измерена парамагнитная восприимчивость "Х.СТ) интерметаллических соединений Qd , 27 У , Но и En с AÍ и G-d о Fe , Со и ЫС как в твердом, так и жидком состояниях.

2. Установлено, что температурная зависимость парамагнитной восприимчивости X (Т ) для "Л У , Но . En я их соединений с A Í хорошо описывается законом Кюри-Вейсса; для

вы. п его соединений о A Z и /V¿" - модифицированным законом Кюри-Вейсса; для соединений систем (rd'^é и ffd-fe в твердом состоянии описывается законом Незля, а в лидком - Кюри-Вейсса.

3. Установлено, что в системах РЗМ -А? (РЗЛ - @-¿¿ , Л У , Но , En и Q-cL-tfí о ростом концентрации атомов J\¿ илп ДА' уменьшается. В системе Q-d-âû с ростом концентрации Со до 80 ат% уменьшается, а при > 80 ат$? 2Í увеличивается. В системе Gtd-Fz о ростом концентрации ,

% слабо увеличивается.

4. Обнаружен тепловой гистерезис в температурной зависимости магнитной восприимчивости твердых соединений Gd £¿a ,

и S-cL Со^ в интервале температур 400-II0QOc, который по-видимому, связан с перераспределением зэгкшеий, возникающих з решетко этих соединенна ниге температуры перитектичесг.ой реакцкц.

5. Установлено, что ео всех доследованных соединениях в

процеосе их плавления меняется ход зависимости %~ Нт) со слабим изломом или слабым скачком, что свидетельствует о малом влиянии разрушения дальнего атомного порядка на локализованный характер электронов недостроенных оболочек (оообенноУ/ -электронов) в ионах магнитной матрицы. Установлено, что замена в кристаллической решетке атомов РЗМ атомамиЛ^ и Ш в рас-гагчпых отехиометрических соотношениях не приводит к сукественнолрг изменению тС и при плавлении образцов.

6. Показано, что для систем P3.I -AS характерно обменное взаимодействие типа РККИ. Установлено, что параметр обменного взаимодействия А в соединениям систем РЕМ-Ag. о увеличением концентрации А £ принимает осциллирувиш-э значзпая в жидком и твердом состояниях.

Основные результаты диосертацпи опубликованы в следующих работах:

1. Сайфуллаева Д.А. Магнитные свойства интерметаллических соединений J}y-A£ , выращенных в земных и космичеоких условиях. Тезисы докладов Республиканской конференции молодых ученых-физиков ВУЗов, г. Ташкент (8-9 декабря 1988 г.), о. 32.

2. Сайфуллаева Д.А. Магнитные овойотва интерметаллидов в системе Qrd'fJC в твердом и жидком состояниях. Тезисы II городской конференции молодых ученых-специалистов, г. Самарканд (25-27 мая 1990 г.), с. 63.

3. Кувандиков O.K., Сайфуллаева Д.А., Шакаров Х.А. Магнитные свойства интерметаллцдов в сиотеме CrcL-F& в твердом и жидком состояниях - ДАН УзССР, К 6, 1990, о. 26-28.

4. Кувандиков O.K., Шакаров Х,А., Сайфуллаева Д.А. Магнитные свойства интерметаллических соединений гадолиния с ко-бальном в твердом и жидком состояниях. - ДАН УзССР, й 5, 1990, о. 28-30.

5. Кувандиков O.K., Шакаров Х.А., Усанов Ш., Сайфуллаева Д.А. Магнитные свойотва интерметаллидов в бинарной системе

piM-AC ( РЗМ- CriL,~U4, Ио.Ег) при высоких температурах. - Сб.: "Спектроскопия конденсированных сред", г. Самарканд, 1990 г., 0. 83-87.

6. Шакаров I.A., Кувандиков O.K., Сайфуллаева Д.А. Маг-нагаце овойотва интеметаллвдов в системе (Ш= Fe ,

Со , UC ) в твердом и жидком состояниях. Труды УП Всесоюзной конференции "Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов", Тем П, часть П Экспериментальные исследования жидких и аиорфных металлов, Челябинск, I99Ü, о. IGO-I8I.