Мессбауэровские исследования фаз переменного состава типа RFe2 : системы (Tb,Y)Fe2, (Gd,Y)Fe2, (Tb,Dy,Er)Fe2 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. О ПРИРОДЕ ЭФФЕКТИВНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ В

ОБЛАСТИ РАСПОЛОЖЕНИЯ ЯДРА В КРИСТАЛЛЕ

1.1. Основные вклады в эффективное магнитное поле Н^

1.2. Известные данные о результатах разделения вкладов в Нп.

1.3. О роли электронов цроводимости в формировании эффективного магнитного поля на ядрах.

1.4. Краткие итоги

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА.

2.1. Блок-схема мессбауэровского спектрометра

2.2. Образцы.

2.3. Температурные измерения

2.4. Выбор модели расшифровки спектров

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВКЛАДОВ В ЭФФЕКТИВНОЕ МАГНИТНОЕ

ПОЛЕ НА ДДРАХ Ре5Г В СИСТЕМЕ Т^хУ^хРег

3.1. Кристаллическая и магнитная структура соединений системы Твх • • • •

3.2. Мессбауэровские спектры ядер г в в соединениях системы ПхУ1.хРег

3.3. Результаты разделения вкладов в эффективное магнитное поле.

3.4. Зависимости квадрупольного смещения б и сдвига & от параметра замещения X

3.5. Концентрационное уширение компонент сверхтонкой структуры.

3.6. Краткие итоги.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВКЛАДОВ В ЭФФЕКТИВНОЕ МАГНИТНОЕ

ПОЛЕ НА ЯДРАХ Fe*r В СИСТЕМЕ &dxY^xFe

4.1. Особенности кристаллической и магнитной структуры соединений системы (rdxYt-xFe? ST *

4.2. Мессбауэровские спектры ядер re в соединениях системы . ^

4.3. Результаты решения задачи разделения вкладов в эффективное магнитное поле

4.4. Концентрационные зависимости квадрупольного смещения 6 и сдвига £

4.5. Краткие итоги.

ГЛАВА 5. МЕССБАУЭРОВСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СОЕДИНЕНИЯ

ЩоЬорЬо^Ч.

5.1. О некоторых особенностях структуры фаз переменного состава Rx^í-X . ЮЗ

5.2. Мессбауэровские спектры ядер г в в соединении ЩЛ0Ц0)5ТЬ0/1^ег. Ю

5.3. Температурная зависимость вкладов в эффективное магнитное поле.

5.4. Зависимость квадрупольного смещения £ и сдвига S от температуры.

5.5. Замечание об интенсивности мессбауэровской линии дал ядер Fe57в соединении

Tê0iW\S7itûiXiïez.

5.6. Краткие итоги.

Темпы научно-технического прогресса во многом определяются исследованиями в области физики твердого тела и, в частности, физики магнитных явлений [I] . Последние 10 - 15 лет развития этих областей физики отмечены проникновением в них ядерных методов исследования. Широкое применение в изучении магнитного состояния вещества нашла мессбауэровская спектроскопия [2-5].

К числу важнейших параметров мессбауэровского спектра относятся прежде всего эффективное магнитное поле в области расположения ядра Нп , сдвиг линии и квадрупольное смещение компонент сверхтонкой структуры <§ . С точки зрения изучения свойств магнитных материалов методами мессбауэровской спектроскопии наибольший интерес, несомненно, представляет эффективное магнитное поле Нд , которым определяется зеемановское расщепление линии. Особо стоит подчеркнуть, что мессбауэров-ский спектр содержит в себе не только информацию о локальных условиях, в которых находятся ядра исследуемого изотопа, но также и данные о кооперативных явлениях.

При интерпретации экспериментальных спектров зачастую возникают трудности при выборе модели расшифровки спектров, которые обусловлены недостаточно хорошим разрешением компонент спектра. Однако, даже в том случае, когда удается расшифровать спектр, выбрав достаточно обоснованную модель расшифровки и задав, кроме того, начальные условия варьируемых параметров, возникают трудности, обусловленные разделением вкладов в эффективное магнитное поле в области расположения ядра. Трудности решения задачи разделения вкладов усугубляются наличием вклада в поле от поляризованных электронов проводимости, величину которого учесть отнюдь далеко не просто. Помимо вклада, обусловленного электронами проводимости интерес представляет также вклад, обусловленный диполь-дипольным взаимодействием. Наличие этого вклада нередко приводит к тому, что места, занимаемые мессбауэровскими ядрами, будучи эквивалентными в кристаллографическом отношении, могут оказаться неэквивалентными в магнитном отношении.

Объектами наших исследований были выбраны образцы систем квазибинарных соединений (Te,Y)Fe2,(GJ,4) Fe2, (Тб, ду, Et) Fe2, которые кристаллизуются в кубическую фазу Лавеса. Актуальность мессбауэровских исследований фаз Лавеса типа RFe2 определяется тем, что эти магнитоупорядоченные системы представляют собой удобный модельный объект исследования. Особенности кристаллической и магнитной структуры этих фаз допускают в раде случаев однозначную трактовку вкладов в локальное магнитное поле на ядре. Получение информации по этим вопросам актуально и в связи с решением проблемы целенаправленного поиска сплавов с заданными физическими свойствами на основе переходных металлов.

Следует отметить, что исследование интерметаллических соединений фаз Лавеса типа шеет огромное прикладное значение. Связано это с тем, что благодаря разнообразию свойств эти интерметаллиды и родственные им находят свое применение [6] в металлургии, лазерной технике, полупроводниковой электронике, используются в качестве поглотителей нейтронов в ядерной технике. Сплавы редкоземельных металлов с переходными обладают способностью абсорбировать в огромных количествах водород и могут быть использованы в качестве аккумуляторов водорода для батарей, топливных элементов, водородных компрессоров и холодильных машин. С использованием различных сплавов РЗМ связано создание элементов запоминающих устройств на основе ВДД [7,8] и магнитострикционных датчиков. Целью работы являлось;

I) получение новой информации о механизме формирования эффективного магнитного поля в области расположения ядер железа на основании концентрационных и температурных исследований г 57 параметров мессбауэровских спектров ядер ге в соединениях

ШЖе, ,(М,\0Ре2,(Т£ %Е*)Ге2; систем 11 о, г /ге2 9к х п е2>

2) определение величины и знака того вклада в эффективное

Г" магнитное поле на ядрах г в в названных системах, который обусловлен поляризованными электронами проводимости;

3) применение методов мессбауэровской спектроскопии для исследования взаимосвязей параметров спектра с особенностями локального окружения ядра и с кооперативными явлениями в кристалле.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы (из 70 наименований). Работа содержит 136 страниц машинописного текста, 38 рисунков и 5 таблиц.

ЗАКЛКЯЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведены температурные исследования сверхтонких элек-тронно-ддерных взаимодействий в ферримагнитных соединениях со структурой типа фаз Лавеса приХ= О, О ДО, 0,33 , 0,55 , 0,72 . 0,80, 1,00; Му^-Х 2 ПРИ 0,10, 0,20 , 0,30 , 0,40 , 0,50 , 0,80 , 0,90, 1,00; Тв^Щ^Е^ методами мессбауэровской спектроскопии.

2. На основании анализа экспериментальных данных о концентрационных и температурных зависимостях параметров мессбауэров-ских спектров определены основные вклады в эффективное магнитное поле в области расположения ядер Ро в магнитных подрешетках исследованных соединений типа 2 , в том числе: а) вклады от диполь-дипольных взаимодействий; б) вклады от контактного взаимодействия Ферми; в) вклады от поляризованных электронов проводимости.

3. Показано, что вся совокупность экспериментальных данных

Г 57 о сверхтонкой структуре мессбауэровской линии ядер г е в исследованных системах объясняется в рамках феноменологического подхода, основанного на предположении об аддитивности вкладов в эффективное магнитное поле, пропорциональных соответственно локализованному магнитному моменту атомов железа и намагниченности домена, причем соответствующие коэффициенты пропорциональности практически не зависят от концентрации и температуры.

4. Установлено, что знак поляризации электронов проводимости в исследованных соединениях является отрицательным по отношению к направлению намагниченности домена, а величина вклада электронов проводимости в эффективное магнитное поле в области

С £7 расположения ядер Г е может достигать нескольких десятков килоэрстед, существенно превосходя при этом вклад от диполь-диполь-ного взаимодействия.

5. На примере соединений системы Тв^У^ впервые показано, что нарушение магнитной компенсации спиновой системы в фазах Лавеса типа RFe2 приводит к уширению компонент сверхтонкой магнитной структуры.

6. Показано, что "концентрационное уширение" компонент сверхтонкой магнитной структуры в спектрах фаз Лавеса типа RFe% обусловлено влиянием размагничивающего поля и поля Лоренца.

7. Установлено, что в соединении Тв0в области температур 80 * 220 К происходит переориентация оси легчайшего намагничивания - от направления [00l] к направлению [ilj] .

8. Установлено, что в соединениях системы СЦЛ-яг в интервале температур 150 * 293К вектор суммарного эффективного магнитного поля на ядрах железа существенно отклоняется от оси [ill] (примерно на 15°), что связывается с наличием магни-тострикционных искажений симметрии кристалла, обусловленных участием железных лодрешеток в обменных взаимодействиях.

9. На примере соединений типа фаз Лавеса

Tfyflij, E*)Fe2 i подтверждено, что применение "метода невязки" для повышения разрешения и шумоподавления в исходных экспериментальных спектрах помогает существенно облегчить выбор модели расшифровки спектров сложных магнитных систем (12 и более компонент сверхтонкой магнитной структуры).

В заключение выражаю искреннюю благодарность моему научному руководителю доктору физ.-мат. наук, профессору Владимиру Ивановичу Николаеву за предложенную интересную тему диссертационной работы и за неоценимую помощь в ходе ее выполнения.

Благодарю также кандидата физ.-мат. наук, старшего преподавателя Вячеслава Серафимовича Русакова за помощь в освоении методики мессбауэровских исследований и ценные консультации.

1. Шпинель B.C. Резонанс гамма-лучей в кристаллах. М. : Наука, 1969, с.9-13, 257-261.

2. Химические применения мессбауэровской спектроскопии. Сб. под ред. Гольданского В.й. и Гербера Р. М.; Мир, 1970. Вертхейм Г.К. Эффект Мёссбауэра. Принципы применения.Перевод с англ. A.M. Афанасьева. Под ред. В.В.Скляревского. - М. : Мир, 1966.

3. Сверхтонкие взаимодействия в твердых телах. Сб. статей. Перевод с англ. Под ред. Турова Е.А.-М.: Мир, 1970, с.5-16,266-269.

4. Физические свойства соединений на основе редкоземельных элементов. Сб. Статей. Перевод с англ.Под ред. Смирнова И.А. -М.: Мир, 1982, с.43-46, 151.

5. Белов К.П. Проблемы магнетизма. -М.: Наука, 1972, с.31.

6. Белов К.П.,Бислиев A.M., Никитин С.А., Колесниченко В.Е. Гистерезис намагниченности вблизи точки магнитной компенсации в сплавах Et Fе^и HoFe^.- ШМ, 1972 , 34, вып.З, с.470-474.

7. Лагутин А.Е. Магнитные и гистерезисные свойства порошков высокоанизотропных соединений RFe- ФММ, 1979 , 47, tè I, с.72-77.

8. Гшшщкий В.Я., Гурковский O.A., Николаев В.И., Николаев Й.Н., Черепанов В.М., Якимов С.С. О знаке поляризации электронов проводимости в железе. ЖЭТФ, 1974, 67, № 2 с. 756-761.

9. Hufner S. Conduction-electron contributions to the huperfine fields in metallic Eu and Gd.-Phys. Rev. Lett., 1967, 19, no.18, p. 1034-Ю37.

10. C6.Howik I., Dunlap B.D., Wernik J.H. Contributions to the hyper-fine field in europium intermetallics.-Phys. Rev., 1973, 138, ser.3, no.1, p.238-241.

11. Pradin G.K., Sheney G.K., Dunlap B.D., Aldred A.T., Kimball C.W. Spin polarization in the high-Hc2 compound SnQ ^EUq ^Mo^Sq.-Phys. Rev., t977, ¿8, no.13, p.719-722.

12. Int. Conf. on Mossbauer spectroscopy. Bratislava, 1973*

13. Стеценко П.Н., Антипов С.Д., Мостафа М.А. О возможностиспиновой переориентации в железной подрешетке квазибинарных соединений Tê(Fe^Rhx)2 . Письма в ЖЭТФ, 1979, 29, вып.II, с.684-687.

14. Dintelman P., Buschow K.H.J. NMR-investigations on the Laves compound (Gd,Y)Al2 in the ferromagnetic state.-Z. Angew Phys., 1971, Ц,-р.181.

15. Kobayashi S., Azayama K., Itoh J. Uuclear magnetic resonance iii Co alloys.-J.Phys. Sos. Jap., 1966, 21^, no.1, p.65-74.

16. Atzmony U., Dariel M.P. Magnetic anisotropy and hyperfine interactions in CePe2, GdFe2 and LuPe2.-Phys. Rev., 1974, В 10, no.5, p.2060-2067.

17. Guimaraes A.P., Bunbury D.St.P. MSssbauer studies of R(Pe,Co)2 Laves phases.Phys. ,1973, F^, no.4, p.885-892.

18. Buschow K.H.J., Van Stapele R.P. Magnetic properties of some cubic rare-earth-iron compounds of the tupe RPe2 and

19. RxY1-xPe2*~J* App1, РЬУ0-» 1970> 11» P-4066-4069.

20. Delyagin II.N. , Krylov V.I., Nesterov V.I. Temperature anomalies of the magnetic field for Sn in metallic ferromagnets and the.thermal expansion of the rystal lattice.-Phys. St. Sol., 1978, В 22» p.741-749»

21. Stearns M., Wilson S. Measurements at the conduction electron spin density oscillations in ferromagnetic alloys. Phys. Rev. Lett., 1964, 12* no*9, p.313-315.

22. Stearns M.B. Spin densiti measurements and the spin susceptibility of the 4s conduction electrons in Pe.-J. Appl. Phys., 1965, ¿6, no. 3, pt. 2, p.913-918.

23. Stearns M.В. Spin-density oscillations in ferromagnetic alloys. I. "Localized" solute atoms: Al, Si, Mn, V and Cr in Fe.-Phys. Rev., 1966, 147. p.439-453.

24. Delyagin Ж.Н., Zonnenberg Yu.D., Krylov V.I., Nesterov V.I. The radial dependenee of the magnetic hyperfine field for

25. Sn atoms in the ferromagnetic Heusler alloys.-Hyperfine Interactions: North-Holland Publishing Company, 1981, p.65-70.

26. Stearns M.B. Possible explanation for the measured huperfine field of solute atoms in Fe.-Phys. Letters, 1971, A 34.p.146-147.

27. Anderson P.W. Localized magnetic states in metals.-Phys. Rev.1961, 124, ser.2, no.1, p.41-53.

28. Пытьев Ю.П. Задачи реставрации изображений. ДАН СССР, 1979,245. с.42-46. Задачи улучшения качества изображений. ДМ СССР, 1979, 245, с.315-319.

29. Коренчук А.Ф., Николаев В.И., Пытьев Ю.П., Русаков B.C., Свешников А.Г., Терентьев Е.Н. Новый метод повышения разрешения в эффекте Мессбауэра. Препринт Физического факультета МГУ, 1981, гё 7/1981, с. 1-6.

30. Николаев В.И., Пытьев Ю.П., Русаков B.C. »Свешников А.Г., Терентьев Е.Н. Новый принцип организации комплекса "спектрометр ЭВМ" в мессбауэровской спектроскопии. - Докл. АН СССР, 1981, 260, J6 4, с.848-852.

31. Preston R.S., Dwight А.Е., Fadro A.J., Kimbal C.W. Moss-bauer and X-ruy study of the self-indused magnetostatic distortion of TbxY4xFe2 baves Phases.-AIP Conf. Proc., 1974, no.24, p.660-661.

32. Bouden G.J., Bunbury D.St.P., Guimaraes A.P., Snyder R.E.

33. Bouden G.J., Bunbury D. St.P., Guimaraes A.P. Mossbauer studies of iron-rare earth intermetallies.-J. Appl. Phys., 1968, no.2,-p.1323.

34. Morariu M. Burzo E., Barb D. Hyperfine interactions in Gd^^Peg compounds.-Journal de Physique, 1976, Colloque C6, suppl. to no.12, ¿7, p.615-619.

35. Никитин С.А., Васильковский В.А., Ковтун H.M., Куприянов А.К., Островский В.Ф. Исследование сверхтонких полей на ядрах FeST в соединениях GJ^Yj-x " ^Э^Ф, 1975, 68jfc 2, с.577-580.

36. Wertheim G.K., Jaccarino V., Wernik J.H. Anisotropic hfs interactions in ferromagnets from Mossbauer effect studies.-Phys. Revi, Aj, 1964, 1JJ5, ser.2, p. 151-154.

37. Сиджимов B.C., Никитин C.A., Яковлев A.A., Ноев С.Д.,

38. Крежов К.А. Исследование магнитной структуры интерметаллических соединений Т@х ^-х методом нейтронной дифракции. Болт. физ. ж., 1981, 8, № 4, с.370-377.

39. Burzo Е. Magnetic and crystallographic properties of rarearth and ittrium-iron Laves phases.-Z. Angew. Phys., 1971, Bd ¿2, p.127-132.

40. Mansey R.C., Raynor G.Y., Harris I.R. Rare-earth intermediate phases.-J.Less. Common Metals, 1968, 14,, no.3> p.329-336.1. AQ

41. Clark A. Magnetostrictive RPe2 i^e^etallio compounds.-In: Handbook on the Physics and Chemistry of Rare Earth, ed. К Gschneider, J. and L.Euring, North-Holland Publishing Company, 1979, p.231-258.

42. Dwight A.E., Kimball C.W. TbPe2, a rombohedral Laves phase. -Acta. Cryst., 1974, В J30, p.2791-2793 .

43. Will G., Bargouth M.O. Magnetic structure and behaviour of ErPegi a neutron difraction study.-Phys. Kond. Materie, 1971, 13, p.137-148.

44. Никитин С.А., Талалаева E.B., Черникова Л.А.»Андреенко А.С. Магнетокалорический эффект и магнитные свойства интерметаллических соединений Т6Х Y^x ~ 1975 , 40,5, с.967-971.

45. Коренчук А.Ф., Лысенко С.А., Николаев В.И., Русаков B.C. Поляризация электронов проводимости в ферримагнитных соединениях типа 2 • Магнитные свойства кристаллических и аморфных материалов. Сб. Научных трудов. Иркутск, 1983, с.64-66.

46. Burzo Е. High temperature magnetic behaviour of GdxYixFe2 compounds.-Sol. St. Commun., 1976, 20, no.6, p.565-568. Burzo E., Baican R., Ursu I. The effective g-values in Gd^Xj^Feg compounds.-Sol. St. Commun., 1977, 21, p.263-265.

47. Никитин С.А., Биелиев A.M. Эффективные обменные поля в соединениях редкоземельных металлов с железом типа RFez и RFe3 . Вестник МГУ, 1975, Jt 2, с.195-199.

48. Лысенко С.А., Николаев В.И., Русаков B.C. Разрешение сверхтонкой структуры ядерных уровней с помощью "метода невязки". Тезисы докладов на ХХХ1У совещании по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра, Алма-Ата, апрель, 1984.

49. Николаев В.И., Русаков B.C., Коренчук А.Ф., Лысенко С.А. О вкладе электронов проводимости в эффективное магнитное поле на ядрах железа в соединениях типа RFe2 . Рукопись депонирована в ВИНИТИ, 1982, В 5119 82 ДЕП. - 30 с.

50. Bouden Q.J. Huclear spin configurations in the (rare earth)Pe2 intermetallios.-J. Phys. F: Metal Phys., 1973, 2, no.12, p.2206-2217.

51. Wiesinger G. Mossbauer effect studies on Tm(Fe,Co^compounds.-J. de Phusique. Coll., 1976, Сб, ¿7» P«585-587.

52. Sarkar D., Segnan R., Cornell E.K., Callen В., Harris R., Plischke M., Zuckerman M. Crystal field in amorphous rare-earth-iron alloys.-Phys. Rev. Lett., 1974, J32, no.10, p.542-544.

53. Burzo E., Ursu I. On the magnetic behaviour of ironin ternary gadolinium-yttrium compounds.-J. Appl. Phys., 1979, ¿0, no.3, p.1471-1477.

54. Bauer P., Genin J. Dipolar contributions and quadrupole effeet in GdPe2. -Phys. Stat. Sol., 1982, A 21» no.2, p.K149-K152.

55. Genin J.M., Bauer P., Besnus M.J. Mossbauer study of the temperature dependence of the magnetization direction and the hyperfine interactions in the Laves phase compounds

56. GdPe2.-Phys. Stat. Sol., 1981, 64, p.325-333

57. Лысенко С.А. Мессбауэровские исследования фаз Лавеса.- Тезисы докладов и сообщений на Всесоюзной конференции (Москва, 15-17 апреля 1984 г.), посвященной Дню советской науки, "Современные вопросы физики и приложения", Москва, 1984, с. 34.

58. Белов К.П., Васильковский В.А., Ковтун И.М., Куприянов А.К., Никитин С.А., Островский В.Ф. Изменение интеграла обменного взаимодействия в интерметаллических соединенияхпри всестороннем сжатии. ФТТ, 1978,20, вып.2, с. 600 6017

59. Васильковский В.А., Ковтун Н.М., Куприянов А.К., Никитин С.А., Островский В.Ф. Исследование ЯМР в соединениях GJxY^xFe2- ЖЭТФ, 1973, 65, вып. 28, с.693-697.

60. Cullen J.R. A theory of the magnetic anisotropy of rare-earth-iron compounds.-J. Appl. Phys., 1981, 52, no.3, pt.2, p.2038-2039.

61. Guo Hoi-Qun, Zhao Jian-Gao, Wang Jian Gao, Wang Zhen- Xi, Xie Kan, Shen Bao-Gen. The giant magnetostriction of

62. Tb,Dy)Fe2 alloy.- Acta Phys. Sin., 1979, 28, no.1, p.121-124.

63. Щубин В.В., Катаев Г.И., Иванова Т.И. Магнитострикция и упругие свойства некоторых интерметаллических соединений системы . Физика магнитных материалов .

64. Калининский гос. ун-т, Калинин, 1983, с.59-72.

65. Berry B.S., Pritchet W.C. Vibrating-reed measurements of the E effect and internal friotion of the highly magnetostrio-tive alloy *e2(TbQj20Dy0j22Ho0 58).-J. Appl. Phys., 1978, 49, no.12, p.6075-6078.