Особенности магнитной структуры и физические свойства редкоземельных интерметаллидов типа R3T тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

На правах рукописи

□ОЗ172254

ГУБКИН Андрей Федорович

ОСОБЕННОСТИ МАГНИТНОЙ СТРУКТУРЫ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ИНТЕРМЕТАЛЛИДОВ ТИПА И3Т

Специальность 01 04.11 - физика магнитных явлений

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 6 [!Юп 2003

Екатеринбург 2008

003172254

Работа выполнена на кафедре физики конденсированного состояния и в отделе магнетизма твёрдых тел НИИ физики и прикладной математики Уральского государственного университета им А М. Горького

Научный руководитель. доктор физико-математических наук,

Баранов Н В.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Скрябин Ю Н

кандидат физико-математических наук, доцент Овчинников А С.

Ведущая организация- ГОУ ВПО «Тверской Государственный

Университет»

Защита состоится 27 июня 2008 года в часов на заседании диссертационного совета Д 212 286.01 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Уральском государственном университете им. А М.Горького (620000, Екатеринбург, пр. Ленина, 51, комн. 248)

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Уральского государственного университета им. А М Горького

Автореферат разослан « 26» мая 2008 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета Доктор физ.-мат наук

. Кудреватых

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Редкоземельные интерметаллические соединения интенсивно исследуются на протяжении последних тридцати лет. За это время бьио накоплено множество экспериментальных данных, построена теория основных взаимодействий, определяющих их магнитные свойства Некоторые соединения редкоземельных элементов с 3(1 переходными металлами, благодаря уникальному сочетанию характеристик, нашли широкое применение в качестве основы для магнитожестких материалов. В последнее время наметилась Тенденция к расширению исследований различных «немагнитных» свойств (магниторезистивных, магнитотепловых, магнитоупругих), поведение которых в значительной мере определяется магнитной структурой соединений В настоящее время известен лишь один прямой метод исследования магнитной структуры - магнитная нейтронография Данный метод исследования магнитной структуры применяется всё более интенсивно, что связано, в первую очередь, с развитием методик и техники нейтронографического эксперимента Новое поколение дифрактометров с более высоким разрешением, позиционно-чувствительные детекторы, позволяющие увеличить статистику эксперимента, и усовершенствование вспомогательного оборудования позволяют фиксировать на нейтронограммах слабые рефлексы, которые не могли быть обнаружены ранее Более сложные, чем считалось ранее, магнитные структуры были выявлены в последние годы для целого ряда хорошо известных бинарных и квазибинарных соединений с магнитными и немагнитными компонентами. [1-3] Существование сложной несоизмеримой структуры в редкоземельных интерметаллидах соединениях связывается с конкуренцией между дальнодействующим периодичным обменным взаимодействием типа РККИ, кристаллическим полем и тепловым разупорядочением Было обнаружено, что некоторые соединения с сильной магнитокристаллической анизотропией обладают магнитной структурой несоизмеримой с кристаллической ячейкой не только при температурах немного ниже температуры магнитного упорядочения, но и при температурах близких к абсолютному нулю Подобные соединения демонстрируют индуцированные полем магнитные фазовые переходы и сложную магнитную фазовую диаграмму Соединения К3Т (Т = Со, N1) также относятся к данному классу объектов Согласно нейтронографическим исследованиям соединений ЯзТ, проведенным более двух десятилетий назад, они обладают соизмеримыми неколлинеарными антиферромагнитными или ферромагнитными структурами и испытывают магнитные фазовые переходы под действием поля, которые сопровождаются значительными изменениями различных физических свойств, в частности электросопротивления и теплоемкости Некоторые соединения Я3Т нашли практическое применение Так, например, соединение Ег3№, обладающее большой теплоемкостью при низких температурах используется в современных рефрижераторах замкнутого цикла, обеспечивающих возможность получения низких температур вплоть до температуры 4 К без использования жидких хладоагентов. Дня понимания механизмов, ответственных за изменение

физических свойств соединений при магнитном упорядочении, при индуцируемых полем фазовых переходах, при изменении концентрации 3с1 электронов и температуры, необходимо детальное знание особенностей магнитной их структуры и роли различных взаимодействий в ее формировании

В настоящей работе проведено исследование магнитной структуры и магнитных свойств соединений типа Я3Т (Т=Со, №; И = ТЬ, Ег) с помощью нейтронографических и магнитных измерений на порошковых и монокристаллических образцах в широком интервале магнитных полей и температур

Основной целью настоящей работы являлось установление основных факторов, определяющих особенности магнитной структуры и магнитных свойств соединений Я3Т.

Для достижения этой цели в данной работе ставились следующие задачи:

• Синтез редкоземельных интерметаллических соединений типа Л3Т (Я=ТЬ, Ег, Т= Со, №).

• Получение и аттестация монокристаллов соединений Ег3Со, ТЬэСо, ТЬ3СО0 85.

• Исследование особенностей магнитной структуры соединений Я3Т в зависимости от сорта 11-иона (на примере Л=ТЬ, Ег; Т=Со)

• Исследование влияния изменений концентрации 3(1 электронов при замещении кобальта никелем в системе ТЬзСоь»^ на магнитную структуру и характер магнитного упорядочения.

• Исследование процессов намагничивания монокристаллического образца Ег3Со с помощью дифракции нейтронов и магнитных измерений.

• Исследование особенностей процессов перемагничивания в нестехиометрических сплавах ТЬ3Со1-5 на псевдомонокристаллах и быстро закаленных образцах

В качестве объектов исследования были выбраны следующие образцы:

поликристаллические образцы соединений Ег3Со, ТЬ3Соьх№х (х=0,0 2,0.4,

06,07,08, 1), монокристаллы ТЬ3Со, ТЬ3Со0 85. Ег3Со; быстро закаленные сплавы ТЬ80Со20, ТЬзСо085

Научная новизна и защищаемые результаты В данной работе были получены и выносятся на защиту следующие новые научные результаты

• Результаты нейтронографического исследования магнитной структуры соединений ТЬ3Со и TbjNi Обнаружение несоизмеримости их магнитной структуры во всей области температур ниже температур магнитного упорядочения. Выявление изменения магнитной структуры при изменении температуры в соединении ТЬз№

• Обнаружение с помощью магнитных измерений и нейтронографии несоизмеримого ближнего антиферромагнитного порядка в соединениях ТЬзСо и Tb3Ni, а также в квазибинарных соединениях Tb3Coi.xNix вплоть до температур, в 5-7 раз превышающих температуру Нееля

• Результаты нейтронографического исследования магнитной структуры и процессов намагничивания монокристалла соединения Ег3Со. Выявление особенностей процессов намагничивания вдоль главных кристаллографических направлений

• Результаты нейтронографического исследования эволюции магнитной структуры квазибинарных соединений при замещении кобальта никелем Выявление трансформаций несоизмеримой магнитной структуры при увеличении концентрации 3d электронов и при изменении температуры.

• Выявление ключевой роли некрамерсового характера редкоземельного иона в формировании несоизмеримой магнитной структуры в соединениях R3T.

Настоящая работа выполнена при поддержке грантов Швейцарского национального научного фонда No. 7 IP 65598 и No Ш7420-110849 по программе SCOPES «Патнерство институтов», программы Агенства по образованию РФ No 2 1.1 6945, инновационного проекта Уральского госуниверситета и НОЦ «Перспективные материалы».

Научная и практическая значимость работы Методика расчета магнитной структуры с помощью программного пакета FullProf, использованная при анализе данных нейтронографии монокристаллов может быть использована при исследовании магнитной структуры монокристаллов других объектов. Данные о магнитной структуре и магнитных свойствах соединения ТЬ3Со, полученные в настоящей работе, создают предпосылки для улучшения его магнитных характеристик с точки зрения возможного применения в качестве материала для криогенных постоянных магнитов Синтез и исследование магнитных свойств быстро закаленных образцов ТЬзСо1_5 показали, что нестехиометрические соединения могут рассматриваться в качестве модельных для исследования процессов перемагничивания магнитных гетерострукгур состоящих из обменно связанных магнитожестких и магнитомягких фаз.

Апробация работы. Результаты исследований, изложенные в диссертационной работе, представлялись на ряде конференций и семинаров. VIII международный семинар «Магнитные фазовые переходы» 13 сентября 2007, г. Махачкала; 4th European Conference on Neutron Scattering 25-29 June

2007 Lund, Sweden, XX международная школа-семинар «Новые магнитные материалы микроэлектроники», 12-16 июня 2006, г. Москва; Международная научная конференция «Актуальные проблемы физики твердого тела» 26-28 октября 2005, г Минск, VI Молодежный семинар по проблемам физики конденсированного состояния вещества 28 ноября - 4 декабря 2005, г. Екатеринбург; XVIII совещание по использованию рассеяния нейтронов в исследованиях конденсированного состояния 12-16 октября 2004, г. Заречный.

Публикации Всего по теме диссертации опубликовано 9 научных работ, из них статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных ВАК - 2, статей в сборниках и трудах конференций и тезисов докладов - 7

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы Общий объем диссертации -167 страниц, включая 78 рисунков, 13 таблиц и список цитированной литературы из 94 наименований

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обосновывается актуальность темы исследований, формулируются цели и задачи работы, а также приведены результаты, выносимые на защиту.

Первая глава является литературным обзором. В ней обсуждаются основные взаимодействия, которые могут оказывать влияние на формирование магнитной структуры редкоземельных интерметаллидов с 3d переходными металлами. Кратко рассмотрены механизмы обменных взаимодействий и эффекты кристаллического поля. Здесь же приводятся данные по кристаллической структуре соединений типа R3T, а также проводится анализ литературных данных по магнитным, электрическим и тепловым свойствам этих соединений На основании анализа этих данных показано, что в настоящий момент существует ряд противоречий между полученными ранее данными магнитной нейтронографии и результатами измерений намагниченности и электрических свойств соединений RjT. В частности, в рамках предложенной соизмеримой магнитной структуры не удается объяснить поведение магнитосопротивления соединения ТЬ3Со Не выяснена роль сорта редкоземельного иона и переходного металла в формировании магнитной структуры Данные о процессах намагничивания в соединениях Ег3Т носят противоречивый характер. В конце главы сформулированы основные цели и задачи исследования.

Во второй главе описаны способы и особенности синтеза образцов, приведены методики измерений, а также описаны экспериментальные установки и режимы проведения измерений

Поликристаллические образцы соединений Er3Co, Tb3CobxNix (х=0, 0 2, 0.4, 0.6, 0 7, 0.8, 1) были получены методом плавки в дуговой печи с нерасходуемым вольфрамовым электродом на водоохлазвдаемом медном поддоне в атмосфере гелия Для достижения однородности слитков образцы переворачивались и переплавлялись по 3-4 раза Фазовый состав после плавки контролировался металлографическим способом Дополнительная аттестация образцов в дальнейшем осуществлялась в процессе подготовки их к исследованию магнитной структуры и включала в себя рентгеноструктурный анализ и нейтронографию Для исследования брались образцы, содержание

ПЛЛТЛЛЛИПТГЛГ Г» I'fVTiAnr rv па пмапгштлпл 00/

iivvivi/wimiiA u ivviv^fMA nw tipvooimujiu J /II

Монокристаллические образцы Tb3Co, Tb3Co085, Er3Co были синтезированы в два этапа. Первый этап включал в себя приготовление поликристаллического слитка методом плавки в дуговой печи На втором этапе осуществлялось выращивание монокристаллов из поликристаллических слитков по методике, которая была разработана ранее и представляет собой модифицированный метод Бриджмэна [4]. Аттестация и ориентация монокристаллов полученных образцов проводилась совместно с Г М Макаровой в ИФМ УрО РАН рентгенографическим методом путем снятия лауэграмм при прямой и обратной съемке с разных сторон образца. Для дальнейших измерений выбирались образцы с разориентацией субзерен не более 3°

Быстро закаленные сплавы Tb8oCo2o, ТЬ3Со085 были получены по нашей просьбе сотрудниками отдела магнетизма твердых тел НИИ ФПМ А И Козловым и АН. Богаткиным методом «спинингования». разливкой расплава на внутреннюю поверхность охлаждающего стального барабана при линейной скорости поверхности около 30 м/сек

Магнитные измерения проводились на установках MPMS и PPMS (Magnetic Properties Measurements System и Physical Properties Measurements System, QUANTUM DESIGN, USA) в Институте Ганна-Мейтнер в Германии (г Берлин), в Центре магнитометрии ИФМ УрО РАН (г. Екатеринбург), в центре импульсных магнитных полей ИФМ УрО РАН (г Екатеринбург) Ряд измерений в высоких магнитных полях выполнен по нашей просьбе в Институте твердого тела Токийского университета

Порошковые образцы Tb3Coi xNix (х=0, 0 2, 0 4, 0 6, 0 7, 0 8, 1) были исследованы методом магнитной нейтронографии в Институте Пауля Шеррера (Швейцария) с помощью дифрактометра DMC с длинами волн А=3.8 А, 2 457 А, 2.461 А в интервалах температур от 1.8 К до 600 К Нейтронограммы были получены с постоянным угловым шагом 0.1° в интервале углов 2© = (3 - 130) градусов.

Монокристаллические образцы ТЬ3Со, Ег3Со были исследованы в Берлинском Центре Рассеяния Нейтронов на двухосевом дифрактометре Е4 (Институт Ганна-Мейтнер, Берлин, Германия) с использованием одиночного детектора (для ТЬ3Со) и планарного детектора (для Ег3Со).

Также во второй главе описана методика расчета магнитной структуры соединения Ег3Со из данных нейтронографии монокристаллического образца при помощи программного пакета РиПРго/.

В третьей главе представлены результаты исследования магнитной структуры соединений с некрамерсовым (ТЬ3Со, ТЬ3№) и крамерсовым (Ег3Со) типом редкоземельного иона

Магнитные измерения в квазистационарных и импульсных магнитных полях, проведенные на монокристаллическом образце ТЬ3Со, показали, что соединение ТЬ3Со испытывает индуцированные полем магнитные фазовые переходы при приложении поля вдоль направлений а и Ь монокристалла (рис. 1) Приложение поля вдоль направления с приводит к полевой зависимости намагниченности с широкой петлей гистерезиса при низких температурах, характерной для высокоанизотропных ферромагнетиков. Более того, процесс намагничивания вдоль направления с характеризует соединение ТЬ3Со как постоянный магнит с максимальным значением энергетического произведения (ВЯтах~ 140 Мй*Ое при Т~4 К). При охлаждении ниже 30 К монокристалл ТЬзСо проявляет свойства изинговского магнетика с большим гистерезисом при перемагничивании вдоль главных кристаллографических направлений. Оценка магнитного момента тербия из данных по намагниченности с использованием экстраполяции на нулевое поле в рамках предложенной соизмеримой магнитной структуры [5] дал значение Мп,~12 3 /¿в, которое превышает теоретическое //в. Такое расхождение может

являться отражением того факта, что процесс намагничивания этого соединения не связан с простыми спин-флип переходами вдоль локальных осей легкого намагничивания По-видимому, он носит более сложный характер, а магнитная структура этого соединения, возможно, является несоизмеримой даже при низких температурах.

I20

Г ю

|-10

5-20

-30

сч ТЬзСо I 1/1 ^

-20 -10 0 10 20 К^ЛП

Рис 1 Полевые зависимости намагниченности, измеренные вдоль

основных кристаллографических направлений монокристалла ТЬзСо в квазистационарных магнитных полях с индукцией до 18 Тл при Т=4 2 К

Рис 2 Нетронные спектры, снятые на монокристалле ТЬзСо вдоль направления [Ш)] в плоскости а*-Ь* обратной решетки при температурах Г=75 К и 7=1 5 К

Рис 3 Изменение интенсивности рассеянных нейтронов вдоль направления [/¡00] в а*-Ь* плоскости обратной решетки при температурах 75 К и 1 5 К монокристалла ТЬзСо

0 о

1

!4

о

в 2 3

а о

I»

/(1 1 0) I

—®-/(ООО)* 1 I ТЬСо

— /(110) 1

41 1 тн

40

Т(К)

80

120

Рис 4 Температурные зависимости интенсивностей рефлексов (110), (0 7 0 7

0), (0 15 0 0) Заштрихованная область соответствует интервалу температур, где сосуществуют низкотемпературная Ф и высокотемпературная АФ фазы

Эти предположения подтвердилось при нейтронографическом исследовании порошкового и монокристаллического (рис 2, 3) образцов ТЬ3Со. Было показано, что соединение ТЬ3Со обладает антиферромагнитной структурой, несоизмеримой с кристаллической ячейкой в температурном интервале 72 К<Г<Гд=82 К и описывается волновым вектором А=(0 155 0 0) В температурном интервале Т< 72 К магнитная структура является ферромагнитной, несоизмеримой и описывается комбинацией волновых векторов ¿=(0.3 0.3 0) и А=0. Исследование температурных зависимостей магнитных рефлексов, описываемых различными волновыми векторами, показало, что магнитный фазовый переход при Т-12 К является фазовым переходом первого рода (рис. 4). Также в соединении ТЬ3Со было выявлено существование областей ближнего магнитного порядка вплоть до температуры ~500 К Примечательным является тот факт, что магнитная структура областей ближнего магнитного порядка хранит в себе черты магнитной структуры дальнего магнитного порядка ниже температуры Нееля 7^~82 К Кроме того, в данном разделе приведены результаты исследования магнитных свойств квазимонокристаллического образца ТЬ3Со085 и быстро закаленных образцов ТЬ80Со20 и ТЬ78Со22 Данное исследование было направлено на выявление возможностей улучшения магнитных характеристик постоянного криогенного магнита ТЬзСо и его результаты носят предварительный характер.

Второй параграф данной главы посвящен исследованию магнитной структуры и магнитных свойств соединения ТЬ3КИ Магнитная структура данного соединения также была исследована методами магнитной нейтронографии и при помощи магнитных измерений в работе [6] В данной работе авторы определили магнитную структуру соединения ТЬ3№ как соизмеримую с кристаллической, что противоречит нашему предположению о несоизмеримости магнитной структуры соединения Я3Т в случае, если Я - некрамерсовый ион. Таким образом, можно было ожидать, что магнитная

структура и магнитные свойства соединения Tb3Ni окажутся более сложными, чем считалось ранее Кроме того, можно было ожидать возможные проявления

ближнего магнитного порядка в парамагнитной области, учитывая результаты, полученные на изоструктурном соединении ТЬ3Со. Наши ожидания оправдались при выполнении магнитных измерений при температурах, превышающих температуру Нееля 7]у=62 К и в частности при измерении полевых зависимостей намагниченности в импульсных полях с индукцией до 28 Тл (рис 5) Из рисунка видно, что кривые

намагничивания демонстрируют небриллюэновское поведение вплоть до температуры Г=200 К Такое поведение может быть связано с трансформацией антиферромагнитной структуры внутри областей ближнего магнитного порядка под действием магнитного поля С ростом температуры, точка перегиба сдвигается в область более высоких полей и становится слабовыраженной. Аналогичного вида кривые намагничивания были получены на образце Gd3Ni в работе [7]. Нейтронография порошкового образца Tb3Ni от температуры Нееля и до температуры 600 К (рис. 6) подтвердила выводы сделанные на основе данных магнитных измерений. Вероятная причина существования ближнего магнитного порядка в широкой области температур выше TN в соединениях ТЬ3Со и Tb3Ni на наш взгляд кроется в том, что обменное взаимодействие в данной системе является анизотропным вследствие слоистого характера кристаллической структуры данного соединения (рис. 7). Можно предполагать, что в соединениях типа R3T (Т = Со, Ni) энергия обменного взаимодействия между Af электронами ионов Tb, расположенных в слое параллельном Ьс плоскости, превышает энергию Tb-Tb обменного взаимодействия между слоями с участием 3d электронов Со При этом 4/-4/обмен в слое происходит с участием 5d электронов тербия, как в чистых редкоземельных металлах (4f-5d-5d-Af механизм Кэмпбэла). Между слоями в обменное взаимодействие включены 3d электроны Со или Ni, поэтому в этом случае работает 4/-5d-3d-5d-4/ механизм обменного взаимодействия при участии гибридизации 5d и 3d электронов. Слабое Tb-Tb обменное взаимодействие между слоями по сравнению с обменом в слое может являться причиной того факта, что при нагревании корреляции ближнего магнитного порядка в слоях Tb сохраняются до температур, значительно превышающих температуру разрушения 3-х мерного магнитного порядка, которая в значительной степени определяется межслоевым обменом.

160 . Tb3N. Т«77 К

120 >"i=ioo К *Г=120К Р

80 / ■Г VV" jr

40

п

и„Н, Тл

Рис 5 Полевые зависимости намагниченности, измеренные в импульсных полях с индукцией до 28 Тл в широком интервале температур Прерывистой линий показан парамагнитный ход бриллюэновской кривой

Нейтронография порошковых образцов при температурах ниже температуры Нееля показала, что магнитная структура соединения ТЬз№ несоизмерима с кристаллохимической ячейкой во всем интервале температур Т<Тм. Кроме того, при нагревании выше температуры Т=4& К происходит трансформация магнитной структуры, при которой пропадает луч к=(1/2 0 0), характерный для низкотемпературной фазы.

Третий параграф данной главы посвящен исследованию магнитной структуры и магнитных свойств соединения с крамерсовым редкоземельным ионом Ег3Со В литературе существует ряд противоречий, касающихся объяснения процессов намагничивания соединения Ег3Со. Кроме того, предположение о ключевой роли некрамерсового характера редкоземельного иона при формировании несоизмеримой магнитной структуры нуждается в экспериментальном подтверждении для случая крамерсового редкоземельного иона В данном разделе представлены результаты магнитных измерений и нейтронографического исследования монокристаллического образца Ег3Со во внешнем магнитном поле и без поля Расчеты магнитной структуры монокристаллического образца в отсутствии внешнего магнитного поля подтвердили модель, предложенную авторами [8] на основе данных порошковой нейтронографии (рис. 8). Магнитные измерения при приложении поля вдоль направлений а, Ь и с показали, что полевые зависимости действительной части АС восприимчивости имеют частотную зависимость в полях с индукцией меньше 1 1 Тл Анализ поведения полевых зависимостей интегральной интенсивности магнитных рефлексов и расчет магнитной структуры в поле с индукцией 6.5 Тл, приложенном вдоль направления Ь, на основании данных нейтронографии монокристалла показали, что приложение магнитного поля приводит к повороту магнитных моментов редкоземельных ионов к направлению поля (рис. 9)

Рис 8 Схематическое изображение магнитной структуры соединения ЕгзСо при 7=2 К в отсутствии внешнего магнитаого поля

н

1—р-а и О __1

Рис 9 Схематическое изображение магнитной структуры соединения ЕгзСо при Т=2 К в поле с индукцией 6 5 Тл, приложенном вдоль направления Ь

Рис 10 Схематическое изображение магнитной структуры соединения ЕгзСо при Т=2 К и в отсутствии внешнего магнитного поля

Рис 11 Схематическое изображение магнитной структуры соединения ЕгзСо при Т=2 К в поле с индукцией 6 5 Тл, приложенном вдоль направления с

Расчет магнитной структуры в поле с индукцией 6 5 Тл, приложенном вдоль направления с показал, что магнитное поле приводит к спин-флипу магнитных моментов редкоземельных атомов в 86 позициях и повороту магнитных моментов к направлению поля для редкоземельных атомов в 4с позициях (рис 11) Факторы сходимости при расчете магнитной структуры не превышали 7% Учитывая результаты расчета, частотную зависимость полевых зависимостей АС восприимчивости и сильную полевую зависимость интегральных интенсивностей магнитных рефлексов в поле с индукцией до 1.1 Тл, приложенном вдоль направления с был сделан вывод о том, что процесс намагничивания проходит в два этапа На первом этапе приложение минимального поля вызывает образование зародышей новой магнитной фазы Данная фаза представляет собой магнитную структуру с магнитными моментами 8ё атомов Ег, инвертированными в направлении поля вдоль локальной легкой оси, определяемой сильной магнитокристаллической анизотропией. Увеличение внешнего магнитного поля приводит к увеличению количества новой фазы в образце При достижении индукции внешнего поля значения ¡лс,Н ~ 1 1 Тл спин-флип фазовый переход в образце завершается, и магнитная структура образца представляет собой некомпланарную скошенную

магнитную структуру с ферромагнитной компонентой вдоль направления с Дальнейшее увеличение внешнего магнитного поля приводит к повороту магнитных моментов 4с и 8с1 ионов Ег к направлению поля Аналогичным образом происходит процесс намагничивания вдоль направления а монокристалла.

Анализ всей совокупности экспериментальных данных по исследованию бинарных соединений ЯзТ позволил нам сделать вывод о том, что в случае крамерсового редкоземельного иона Ег магнитная структура является соизмеримой с кристаллической ячейкой, в отличие от соединений ТЬзСо и ТЬ3№ с некрамерсовым ионом ТЪ, магнитная структура которых является несоизмеримой с кристаллической ячейкой. Некрамерсовый редкоземельный ион в низкосимметричной позиции может иметь синглетное основное состояние Для индуцирования магнитного момента на некрамерсовом ионе обменное взаимодействие должно смешивать два первых низколежащих синглетных уровня, формируя квазидублет Существование казидублетного состояния в ТЬ3Со и ТЬ3№ можно предположить, поскольку данные соединения демонстрируют магнитоупорядоченное состояние с большими значениями магнитных моментов

В четвертой главе представлены результаты комплексного исследования магнитных свойств квазибинарных соединений ТЬз(СО|.х№х) В третьей главе было показано, что соединения ТЬзМ и ТЬ3Со обладают одинаковой кристаллической структурой, в то время как их магнитная структура может существенно отличаться. Магнитное упорядочение в соединениях данного типа определяется комбинацией косвенного обменного взаимодействия и сильной магнитокристаллической анизотропией. Поскольку атом никеля обладает одним дополнительным электроном в (I-зоне по сравнению с атомом кобальта, то замещение Со на N1 в соединении ЯзСо1.х№х приводит к изменению квазиимпульса Ферми кР. В свою очередь это отражается на обменном взаимодействии и, следовательно, на магнитной структуре соединения В данной главе мы проследили за эволюцией магнитной структуры при

замещении атомов кобальта атомами никеля на примере соединений ТЬ3Со1_х№х Результаты измерений магнитной

восприимчивости соединений ТЬзСо]_ХЫ1Х выявили немонотонное изменение температур Нееля от концентрации, что отражает изменение энергии обменного взаимодействия в соединениях при увеличении концентрации

электронов проводимости (рис 12). Магнитные измерения в квазистационарных магнитных

»

80 \

70 \

а:

•

60

К \ /

50 -ТЬ3Со р ТЬ3Ы|

00 02 04 06 08 10

X

Рис 12 Концентрационная зависимость

температуры Нееля системы соединений

ТЬзСо 1-*№х

Рис. 13 Полевые зависимости намагниченности, измеренные на системе образцов ТЬзСО].х№х в квазистационарных полях при температурах Т=2 К, Т~40 К. Для состава 'ГЬзСо приведет данные, снятые на монокристалле.

полях показали, что соединения Т^Со^М* демонстрируют индуцированные полем магнитные фазовые переходы (рис. 13). Вид кривых намагничивания изменяется от характерного ферромагнитного для ТЬ3Со к характерному антиферромагнитному для ТЬ3№. Кроме того, кривые намагничивания не достигают насыщения в полях с индукцией до 10 Тл. Данный факт свидетельствует о некомпланарности магнитной структуры и высокой энергии магнитокристаллической анизотропии. Как было уже отмечено выше, большой магнитный гистерезис при низких температурах связан с тем, что образец при температурах ниже -30 К становится изинговским магнетиком. В соответствии с нашими данными нейтронографического исследования порошковых образцов ТЬзСо^Мх магнитная структура существенно зависит от концентрации х. С ростом концентрации никеля магнитная структура испытывает ряд качественных изменений. Как было показано нами, в соединении ТЬ3Со реализуются две несоизмеримых магнитных структуры: высокотемпературная антиферромагнитная и низкотемпературная ферромагнитная. При частичном замещении кобальта никелем до значения х-0.3 магнитная структура становится несоизмеримой антиферромагнитной при всех температурах ниже Т№ Эту новую магнитную структуру можно условно разбить на высокотемпературную и низкотемпературную магнитные фазы, основным отличием которых является более короткий период модуляции при высоких температурах. Данная структура с ростом концентрации никеля испытывает сокращение периода модуляции как в области высоких, так и в области низких температур. И к значению концентрации никеля х=0.8 в образце реализуется несоизмеримая антиферромагнитная структура, со слабо зависящим от температуры периодом модуляции и самой низкой температурой Нееля. При дальнейшем увеличении концентрации никеля до максимального значения х=1 в образце реализуется несоизмеримая магнитная структура, описываемая комбинацией волновых векторов. Магнитная структура соединения ТЬ3ЭД

существенно зависит от температуры. С повышением температуры до Т,~ 48 К она трансформируется в несоизмеримую антиферромагнитную структуру с исчезновением луча к=\!2Ъ\.

Нейтронографическое исследование при температурах превышающих температуру Нееля выявили существование ближнего магнитного порядка. Как уже было отмечено в третьей главе, существование ближнего магнитного порядка в широкой области температур выше Г» , по-видимому, связано с анизотропией обменного взаимодействия

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Впервые показано, что соединения ТЬ3Со и ТЬ3№ обладают несоизмеримыми магнитными структурами во всей области температур ниже температуры магнитного упорядочения С помощью нейтронографии на монокристаллическом образце ТЬзСо определены волновые вектора магнитных структур в различных температурных интервалах и подтверждено существование магнитного фазового перехода 1-го рода типа порядок-порядок Выявлены изменения магнитной структуры при изменении температуры в соединении ТЬ3Ы1

2. Впервые с помощью магнитных измерений и нейтронографии установлено существование несоизмеримого ближнего антиферромагнитного порядка в соединениях ТЬ3Со и ТЬ3№, а также в квазибинарных соединениях ТЬ3Со1.х№х вплоть до температур, в 5-7 раз превышающих температуру Нееля. Ближний магнитный порядок в этих соединениях, по-видимому, носит квазидвумерный характер, что может быть связано с анизотропией обменного взаимодействия из-за слоистого характера магнитной структуры

3 Впервые проведено нейтронографическое исследование магнитной структуры и процессов намагничивания монокристалла соединения Ег3Со. Подтвержден факт существования в Ег3Со соизмеримой некомпланарной магнитной структуры с ферромагнитной компонентой вдоль направления Ъ и антиферромагнитными компонентами вдоль направлений а тле Показано, что приложение внешнего магнитного поля вдоль направления Ь сопровождается вращением магнитных моментов к направлению поля, в то время как вдоль направлений а и с осей увеличение поля приводит к спин-флипу магнитных моментов на атомах в 8с1 позициях и повороту магнитных моментов для атомов в 4с позициях в полях с индукцией менее 1 Тл

4 Проведено исследование эволюции магнитной структуры при замещения кобальта никелем в квазибинарных соединениях системы ТЬ3СО|.х№х. Показано, что увеличение концентрации 3с1 электронов при замещении и вызванное этим изменение обменной энергии приводит к трансформации несоизмеримой магнитной структуры с ферромагнитной составляющей магнитных моментов вдоль оси с к несоизмеримой антиферромагнитной

структуре, период модуляции которой проявляет зависимость от концентрации никеля и от температуры 5 Показано, что ключевую роль в формировании магнитной структуры несоизмеримой с кристаллохимической ячейкой в соединениях 11зТ играет некрамерсовый характер редкоземельного иона.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных ВАК.

1. А.Ф Губкин, НВ Баранов, А А Подлесняк, НВ Мушников, Особенности магнитной структуры криогенного постоянного магнита ТЬзСо// Известия РАН Серия физическая. 2007 Т.71,№11 с 1673-1674

2 N V. Baranov, A F. Gubkin, А Р Vokhmyanin, A.N. Pirogov, A Podlesnyak, L Keller, N V Mushnikov, M I. Bartashevich, High-field magnetization and magnetic structure of Tb3Co // J. Phys.- Condens Matter 19 (2007) 326213 (14pp)

Другие публикации.

3. А Ф Губкин, H.B Баранов, Ближний магнитный порядок в соединениях TbsiCOjNij.x) // Сборник трудов VIII международного семинара «Магнитные фазовые переходы» 13 сентября 2007 г Махачкала с 98101

4 A. Podlesnyak, N.V Baranov, A F Gubkin and Р Allenspach, Single-crystal neutron diffraction study of the Er-Co binary compound with 3"1 stoichiometry //4th European Conference on Neutron Scattering 25-29 June 2007 Lund, Sweden Abstracts Poster W165

5. AF. Gubkin, A. Podlesnyak, N.V. Baranov, Incommensurate magnetic structure of Tb-based cryogenic permanent magnet //4th European Conference on Neutron Scattering 25-29 June 2007 Lund, Sweden. Abstracts Poster W 145.

6 А Ф Губкин, H В Баранов, А А Подлесняк, H.B Мушников, Особенности магнитной структуры криогенного постоянного магнита ТЬзСо// Сборник трудов XX международной школы-семинара «Новые магнитные материалы микроэлектроники», 12-16 июня 2006 г. Москва, с 1075-1076

7. АП Вохмянин, АФ Губкин, А А Подлесняк, ЮА. Дорофеев, А.Е. Теплых, Т. Гото, НВ Мушников, НВ Баранов, АН. Пирогов, Магнитная структура и свойства соединения ТЬзСо // Сборник докладов Международной научной конференции «Актуальные проблемы физики

твердого тела» Минск. 26-28 октября 2005 г с. 178-180

8. А Ф. Губкин, А П Вохмянин, А А Подлесняк, А Н Пирогов, Н В Баранов, Физические свойства и особенности магнитной структуры соединения ТЪ3Со // Сборник трудов VI Молодежного семинара по проблемам физики конденсированного состояния вещества 28 ноября - 4 декабря 2005 г. Екатеринбург, с 19

9. А.Ф. Губкин, Н В. Баранов, А Н Пирогов, А А Подлесняк, А Е. Теплых, Магнитное упорядочение в ТЬ3Со // XVIII совещание по использованию пассеяния чейтпоноч п исследованиях конденсированного состояния (1216 октября 2004, г Заречный) Тезисы докладов, с 84

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1 Gignoux D., Schmitt D. Rare earth intermetallics И JMMM 1991 v. 100, p. 99-125

2 Gignoux D, Schmitt D. Commensurability versus incommensurability in rare earth mtermetallic compounds// JMMM 1994 v. 129, p 53-58.

3 Schobinger-Papamantellos P, Rodr'iguez-Carvaja J and Buschow К HJ. The multiple q-vector incommensurate magnetic structure of TbGe3 // J Phys ■ Condens. Matter -2007. v. 19, № 23,236201.

4 Ac. 574882 СССР,МКИВ 01 J 17/00Способ получения монокристаллов. Дерягин А В, Кудреватых Н.В, Москалев В.Н, Баранов Н.В

5. Gignoux D., Lemaire R Magnetic structures of Tb3Co compound // Труды международной конференции по магнетизму МКМ-73, том 5,361-364.

6. Gignoux D, Gomez-Sal J С and Paccard D. Magnetic properties of a TbjNi single crystal // Solid State Commun. -1982. v.44, p. 695-700

7. Tristan N.V, Nikitin S.A, Palevvski T, Skokov K. Comparative analysis of the magnetization processes of the Gd3Ni and Gd3Co smgle ciystals // JMMM -2002 v. 251, p. 148-154

8. Gignoux D, Lemaire R, Paccard D. Etude des structures magnetiques des composes Er3Co et Er3Ni par diffraction neutromque // Solid State Communications-1970 v 8, p. 391-400

Подписано в печать & ^^Формат 60x84/16 Печать офсетная. Бумага типографская

ЗаказУел печл ^ОТщьж^ОО Уральский государственный университет 620000, г. Екатеринбург, К-83, Ленина, 51 Типолаборатория УрГУ

ВВЕДЕНИЕ.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1. Основные взаимодействия, определяющие магнитное упорядочение в РЗМ интерметалл идах.

1.1.1 Механизм косвенного обменного взаимодействия.

1.1.2. Влияние кристаллического поля.

1.2. Кристаллическая структура и физические свойства соединений Я3Т.

1.2.1 Кристаллическая структура соединений ИзТ.;.

1.2.2. Магнитная структура и фазовые превращения в соединениях типа К ¡Т.

1.2.2.1 Магнитнью свойства соединений Сс13Т (Т=Со, Шг).

1.2.2.2 Магнитные свойства соединений ТЬ3Т (Т=Со, N1, ЛЬ).

1.2.2.3 Магнитные свойства соединений Ег3Т (Т=Со, N0.

1.3 Цели и задачи исследования.

2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА.

2.1. Получение образцов.

2.2. Магнитные измерения.

2.3. Нейтронографические измерения.

2.5. Погрешности нейтронографического определения магнитного момента, параметров решетки и уточнения координат атомов.

3. МАГНИТНАЯ СТРУКТУРА И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА БИНАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ И3Т (К=ТВ, ЕК, Т=СО, N1).

3.1. Магнитные свойства и особенности магнитной структуры соединения Тв3Со.

3.1.1. Магнитная восприимчивость и намагниченность монокристалла ТЬзСо.

3.1.2. Нейтронографическое исследование магнитоупорядоченного состояния соединения ТЬзСо.

3.1.3 Ближний магнитный порядок в соединении ТЬзСо.

3.1.4 Обсуждение результатов нейтронографии и магнитных измерений.

3.1.5 Магнитные свойства нестехиометрических ТЬзСо.

3.2. Магнитные измерения и нейтрографическое исследование магнитной структуры соединения Тв3№.

3.2.1. Магнитная восприимчивость и намагниченность соединения ТЬзШ.

3.2.2. Магнитная нейтронография порошковых образцов ТЬзМ/.

Редкоземельные интерметаллические соединения интенсивно исследуются на протяжении последних тридцати лет. За это время было накоплено множество экспериментальных данных, построена теория основных взаимодействий, определяющих их магнитные свойства. Некоторые соединения редкоземельных элементов с 3<\ переходными металлами, благодаря уникальному сочетанию характеристик, нашли широкое применение в качестве основы для магнитожестких материалов. В последнее время наметилась тенденция к расширению исследований различных «немагнитных» свойств (магниторезистивных, магнитотепловых, магнитоупрутих), поведение которых в значительной мере определяется магнитной структурой соединений. В настоящее время известен лишь один прямой метод исследования магнитной структуры - магнитная нейтронография. Данный метод исследования магнитной структуры применяется всё более интенсивно, что связано, в первую очередь, с развитием методик и техники нейтронографического эксперимента. Новое поколение дифрактометров с более высоким разрешением, позиционно-чувствительные детекторы, позволяющие увеличить статистику эксперимента, и усовершенствование вспомогательного оборудования позволяют фиксировать на нейтронограммах слабые рефлексы, которые не могли быть обнаружены ранее. Более сложные, чем считалось ранее, магнитные структуры были выявлены в последние годы для целого ряда хорошо известных бинарных и квазибинарных соединений с магнитными и немагнитными компонентами [1-6]. Существование сложной несоизмеримой структуры в редкоземельных интерметаллидах соединениях связывается с конкуренцией между дальнодействующим периодичным обменным взаимодействием типа РККИ, кристаллическим полем и тепловым разупорядочением. Было обнаружено, что некоторые соединения с сильной магнитокристаллической анизотропией обладают магнитной структурой несоизмеримой с кристаллической ячейкой не только при температурах немного ниже температуры магнитного упорядочения, но и при температурах близких к абсолютному нулю [6]. Подобные соединения демонстрируют индуцированные полем магнитные фазовые переходы и сложную магнитную фазовую диаграмму. Соединения К3Т (Т = Со, №) также относятся к данному классу объектов. Согласно нейтронографическим исследованиям соединений Я3Т, проведенным более двух десятилетий назад, они обладают соизмеримыми неколлинеарными антиферромагнитными или ферромагнитными структурами и испытывают магнитные фазовые переходы под действием поля, которые сопровождаются значительными изменениями различных физических свойств, в частности электросопротивления и теплоемкости [7-14]. Некоторые соединения ШзТ нашли практическое применение. Так, например, соединение Егз>П, обладающее большой теплоемкостью при низких температурах используется в современных рефрижераторах замкнутого цикла, обеспечивающих возможность получения низких температур вплоть до температуры 4 К без использования жидких хладоагентов. Для понимания механизмов, ответственных за изменение физических свойств соединений при магнитном упорядочении, при индуцируемых полем фазовых переходах, при изменении концентрации Зй электронов и температуры, необходимо детальное знание особенностей магнитной их структуры и роли различных взаимодействий в ее формировании.

В настоящей работе проведено исследование магнитной структуры и магнитных свойств соединений типа Б^Т (Т=Со, Я = ТЬ, Ег) с помощью нейтронографических и магнитных измерений на порошковых и монокристаллических образцах в широком интервале магнитных полей и температур.

В данной работе были получены и выносятся на защиту следующие новые научные результаты, в Результаты нейтронографического исследования магнитной структуры соединений ТЬ3Со и ТЬз>Й. Обнаружение несоизмеримости их магнитной структуры во всей области температур ниже температур магнитного упорядочения. Выявление изменения магнитной структуры при изменении температуры в соединении ТЬзЖ в Обнаружение с помощью магнитных измерений и нейтронографии несоизмеримого ближнего антиферромагнитного порядка в соединениях ТЬзСо и ТЬз>П, а также в квазибинарных соединениях ТЬ3Со1.х№х вплоть до температур, в 5-7 раз превышающих температуру Нееля.

• Результаты нейтронографического исследования магнитной структуры и процессов намагничивания монокристалла соединения Ег3Со. Выявление особенностей процессов намагничивания вдоль главных кристаллографических направлений, в Результаты нейтронографического исследования эволюции магнитной структуры квазибинарных соединений при замещении кобальта никелем. Выявление трансформаций несоизмеримой магнитной структуры при увеличении концентрации 3<1 электронов и при изменении температуры, в Выявление ключевой роли некрамерсового характера редкоземельного иона в формировании несоизмеримой магнитной структуры в соединениях Я3Т.

Научная и практическая значимость работы. Методика расчета магнитной структуры с помощью программного пакета РиНРго/, использованная при анализе данных нейтронографии монокристаллов может быть использована при исследовании магнитной структуры монокристаллов других объектов. Данные о магнитной структуре и магнитных свойствах соединения ТЬзСо, полученные в настоящей работе, создают предпосылки для улучшения его магнитных характеристик с точки зрения возможного применения в качестве материала для криогенных постоянных магнитов. Синтез и исследование магнитных свойств быстро закаленных образцов ТЪзСо1.5 показали, что нестехиометрические соединения могут рассматриваться в качестве модельных для исследования процессов перемагничивания магнитных гетероструктур состоящих из обменно связанных магнитожестких и магнитомягких фаз.

Структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации - 169 страниц, включая 78 рисунков, 13 таблиц и список цитированной литературы из 94 наименований.

Общие выводы.

1. Впервые показано, что соединения ТЬ3Со и ТЬ3№ обладают несоизмеримыми магнитными структурами во всей области температур ниже температуры магнитного упорядочения. С помощью нейтронографии на монокристаллическом образце ТЬ3Со определены волновые вектора магнитных структур в различных температурных интервалах и подтверждено существование магнитного фазового перехода 1-го рода типа порядок-порядок. Выявлены изменения магнитной структуры при изменении температуры в соединении ТЬ3№.

2. Впервые с помощью магнитных измерений и нейтронографии установлено существование несоизмеримого ближнего антиферромагнитного порядка в соединениях ТЬ3Со и ТЬ3№, а также в квазибинарных соединениях ТЬ3Со].х№х вплоть до температур, в 5-7 раз превышающих температуру Нееля. Ближний магнитный порядок в этих соединениях, по-видимому, носит квазидвумерный характер, что может быть связано с анизотропией обменного взаимодействия из-за слоистого характера магнитной структуры.

Впервые проведено нейтронографнческое исследование магнитной структуры и процессов намагничивания монокристалла соединения Ег3Со. Подтвержден факт существования в Ег3Со соизмеримой некомпланарной магнитной структуры с ферромагнитной компонентой вдоль направления Ъ и антиферромагнитными компонентами вдоль направлений а и с. Показано, что приложение внешнего магнитного поля вдоль направления Ъ сопровождается вращением магнитных моментов к направлению поля, в то время как вдоль направлений а и с осей увеличение поля приводит к спин-флипу магнитных моментов на атомах в 8с1 позициях и повороту магнитных моментов для атомов в 4с позициях в полях с индукцией менее 1 Тл.

Проведено исследование эволюции магнитной структуры при замещения кобальта никелем в квазибинарных соединениях системы ТЬ3Со1.х№х. Показано, что увеличение концентрации 3с1 электронов при замещении и вызванное этим изменение обменной энергии приводит к трансформации несоизмеримой магнитной структуры с ферромагнитной составляющей магнитных моментов вдоль оси с к несоизмеримой антиферромагнитной структуре, период модуляции которой проявляет зависимость от концентрации никеля и от температуры.

Показано, что ключевую роль в формировании магнитной структуры несоизмеримой с кристаллохимической ячейкой в соединениях К3Т играет некрамерсовый характер редкоземельного иона.

БЛАГОДАРНОСТИ

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю доктору физ. мат. наук, заведующему кафедрой физики конденсированного состояний Уральского госуниверситета Баранову Николаю Викторовичу за предложенную тему и руководство диссертационной работой.

Автор особо признателен ближайшим коллегам канд. физ. -мат. наук Подлесняку A.A., канд. физ.-мат. наук Вохмянину А.П., Шерстобитовой Е.А., Селезневой Н.В, за оказанное содействие в проведении измерений, а также в подготовке, получении и аттестации образцов для измерений и интерпретации полученных результатов.

Автор благодарен сотрудникам кафедры физики конденсированного состояния за поддержку и благожелательное отношение.

Благодарю сотрудников института физики металлов канд. физ.-мат. наук Пирогова А. Н., канд. физ.-мат. наук Бобровского В.И. канд. физ.-мат. наук Королева A.B., докт. физ.-мат. наук Мушникова Н. В., канд. физ.-мат. наук Герасимова Е.Г., Макарову Г.М. за помощь в аттестации образцов, проведении магнитных измерений, анализе данных нейтронографических исследований.

Автор благодарит коллег, сотрудников отдела магнетизма НИИ ФПМ Уральского госуниверситета канд. физ.-мат. наук Барташевича М.И., канд. физ.-мат. наук Маркина П. Е., Андреева C.B., Козлова А.И., Богаткина А.Н., за помощь при синтезе и аттестации образцов, а так же весь коллектив отдела за их доброжелательное отношение, живое участие и товарищескую помощь.

Благодарю координатора проекта No Ю7420-110849), директора института Пауля Шеррера, профессора Джоэля Мезота.

Особую благодарность выражаю своим родителям отцу Губкину Федору Ивановичу и маме Губкиной Надежде Михайловне, а также брату Губкину Дмитрию Федоровичу за неоценимую поддержку при подготовке диссертации.

4.4. Заключение.

Результаты измерений магнитной восприимчивости соединений ТЬ3Со1.х№х выявили немонотонное изменение температур Нееля от концентрации, что отражает изменение энергии обменного взаимодействия в соединениях при увеличении концентрации электронов проводимости. Данная зависимость представлена на рисунке 4.12. Очевидно что, кривая концентрационной зависимости температуры Нееля фактически отражает зависимость энергии обмена от кР, поскольку замещение кобальта никелем приводит к увеличению к? из-за дополнительного электрона в ¿/-зоне никеля.

2 ь

80

70

60

50

ТЬ Со, N1

3 1-х х

ТЬ3Со

I.1

ТЬ3М!

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 X

Рисунок 4.12. Концентрационная зависимость температуры Нееля системы соединений ТЬзСо1.х№х.

3

0

-в / юК, (РГ')

43 44 45

Рисунок 4.13. Зависимость энергии обменного взаимодействия от импульса Ферми к?. 1 -ферромагнитной, 2,3-антиферромагнитной (для разных вариантов АФ структур). [93].

Следует отметить, что расчеты зависимости энергии косвенного обменного взаимодействия от импульса Ферми кр, выполненные в работе [93] для соединения Ос^Со^е^, показали периодичный характер данных кривых (рис 4.13). Из рисунка следует, что при уменьшении к? становится энергетически выгодным переход от антиферромагнитной структуры к ферромагнитной. Аналогичная ситуация имеет место в системе ТЬзСо1х№х, где уменьшение концентрации никеля до значения х—0.2 (уменьшение кр) приводит к трансформации магнитной структуры от АФ к Ф. Увеличение концентрации никеля до значения превышающего х=0.8 приводит к трансформации одной антиферромагнитной структуры к другой антиферромагнитной структуре.

Магнитные измерения в квазистационарных магнитных полях показали, что соединения ТЬ3Со1х1М1х демонстрируют индуцированные полем магнитные фазовые переходы. Кроме того, кривые намагничивания не достигают насыщения в полях с индукцией до 10 Тл. Данный факт свидетельствует о некомпланарности магнитной структуры и высокой энергии магнитокристаллической анизотропии. Как было уже отмечено выше, большой магнитный гистерезис при низких температурах связан с тем, что образец при температурах ниже ~30 К становится изинговским магнетиком. Более того, величина гистерезиса существенно зависит от концентрации никеля системе ТЬ3Со1.х№х, т.е. от величины обменного взаимодействия. Аналогичные данные были представлены в работе [85], где были приведены магнитные измерения на ряде быстрозакаленных соединений Я3Со.

В соответствии с нашими данными нейтронографического исследования порошковых образцов ТЬзСо1х№х магнитная структура существенно зависит от концентрации х. С ростом концентрации никеля магнитная структура испытывает ряд качественных изменений. Как было показано нами, в соединении ТЬзСо реализуются две несоизмеримых магнитных структуры: высокотемпературная антиферромагнитная и низкотемпературная ферромагнитная. При частичном замещении кобальта никелем до х~0.3 магнитная структура становится антиферромагнитной при всех температурах ниже TN, Эту новую магнитную структуру можно условно разбить на высокотемпературную и низкотемпературную магнитные фазы, основным отличием которых является более короткий период модуляции при высоких температурах. Данная структура с ростом концентрации никеля испытывает сокращение периода модуляции как в области высоких, так и в области низких температур. И к значению концентрации никеля х=0.8 в образце реализуется несоизмеримая антиферромагнитная структура, со слабо зависящим от температуры периодом модуляции и самой низкой температурой Нееля. При дальнейшем увеличении концентрации никеля до максимального значения х=1 в образце реализуется несоизмеримая магнитная структура, описываемая комбинацией волновых векторов. Магнитная структура соединения ТЬз№ существенно зависит от температуры. С повышением температуры до 48 К она трансформируется в несоизмеримую антиферромагнитную структуру с исчезновением луча

Как уже было отмечено в разделах 3.1. и 3.2. причина несоизмеримого характера магнитной структуры в отсутствии внешнего магнитного поля заключается в некрамерсовом характере иона ТЬ3+, периодичном обменном взаимодействии и низкосимметричном кристаллическом поле. Редкоземельный ион в низкосимметричной позиции может иметь синглетное основное состояние. Для индуцирования магнитного момента на некрамерсовом ионе обменное взаимодействие должно смешивать два первых низколежащих синглетных уровня, формируя квазидублет. Существование казидублетного состояния в Tb3CoixNix можно предположить, поскольку данные соединения демонстрируют магнитоупорядоченное состояние с большими значениями магнитных моментов.

Как уже было отмечено в разделе 3.2, причина существования ближнего магнитного порядка в широкой области температур выше в соединениях ТЬ3Со1х№х кроется в том, что кристаллическая структура этого соединения носит слоистый характер (см. рис. 3.33) и представляет собой слои, состоящие из редкоземельных атомов, которые параллельны плоскости Ъс. Эти слои разделены атомами переходного металла. Более сильное обменное взаимодействие в слое может являться причиной того факта, что при нагревании корреляции ближнего порядка в слоях ТЬ сохраняются до температур, значительно превышающих температуру разрушения 3-х мерного магнитного порядка, которая в значительной степени определяется межслоевым обменом.

1. Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных ВАК:

2. Губкин А.Ф., Баранов Н.В., Подлесняк А.А., Мушников Н.В. Особенности магнитной структуры криогенного постоянного магнита ТЬзСо // Известия РАН. Серия физическая. 2007. Т.71, № 11. с. 16731674.

3. Baranov N.V., Gubkin A.F., Vokhmyanin А.Р., Pirogov A.N., Podlesnyak A.A., Keller L., Mushnikov N. V., Bartashevich M.I. High-field magnetization and magnetic structure of Tb3Co // J. Phys.: Condens. Matter 19 (2007) 326213 (14pp).1. Другие публикации:

4. Губкин А.Ф., Баранов Н.В., Ближний магнитный порядок в соединениях Tb3(CoxNiix) // Сборник трудов VIII международного семинара «Магнитные фазовые переходы» 13 сентября 2007 г. Махачкала, с.98-101.

5. Gubkin A.F., Podlesnyak A.A., Baranov N.V. Incommensurate magnetic structure of Tb-based cryogenic permanent magnet //4th European Conference on Neutron Scattering 25-29 June 2007 Lund, Sweden. Abstracts. Poster W 145.

6. Список использованной литературы.

7. Gignoux D., Schmitt D. Rare earth intermetallics // J. Magn. Magn. Mat. -1991. -V.100, -P.99-125.

8. Gignoux D., Schmitt D. Commensurability versus incommensurability in rare earth intermetallic compounds // J. Magn. Magn. Mat. -1994. -V.129, -P.53-58.

9. Schobinger-Papamantellos P., Rodr'iguez-Carvaja J. and Buschow K.H.J. The multiple q-vector incommensurate magnetic structure of TbGe3 // J. Phys. Condens. Matter -2007. -V.19, -N23, -P.236201.

10. Xiao Y.G., Huang Q., Ouyang Z.W., Wang F.W., Lynn J.W., Liang J.K. and Rao G. H. Canted magnetic structure arising from rare-earth mixing in the Laves-phase compound (Ndo.5Tbo.5)Co2 H Phys. Rev. B. -2006. -V.73, -P.064413.

11. Prokhnenko O., Kamar'ad J., Prokevs K., Arnold Z. and Andreev A.V. Helimagnetism of Fe: High Pressure Study of an Y2Fei7 Single Crystal // Phys. Rev. Lett. -2005. -V.94, -P.107201.

12. Primavesi G.J. and Taylor K.N.R. Magnetic transitions in the rare earth intermetallic compounds R3Ni and R3Co // J. Phys. F: Met. Phys. -1972. -V.2, -P.761-770.

13. Gignoux D., Gomez-Sal J.C. and Paccard D. Magnetic properties of a Tb3Ni single ciystal // Solid State Commun. -1982. -V.44, -P.695-700.

14. Baranov N.V., Pirogov A.N. and Teplykh A.E. Magnetic state of Dy3Co // J. Alloys Compounds -1995. -V.226, -P.70-74.

15. Baranov N.V., Markin P.E., Nakotte H. and Lacerda A. Magnetic and transport properties of Tb3Co studied on single crystals // J. Magn. Magn. Mat. -1998. -V.177-181, -P.l 133-1134.

16. Talik E., Mydlarz T. and Gilewski A. Magnetization of Dy3Ni single crystal // J. Alloys Compounds -1996. -V.233, P.136-139.

17. Talik E., Witas W., Kusz J., Winiarski A., Mydlarz Т., Neumann M. and Bohm H. Magnetic properties of Tb3Rh single crystals // Physica В -2000. -V.293, -P.75-83.

18. Baranov N.V., Bauer E., Hauser R., Galatanu A., Aoki Y. and Sato H. Field-induced phase transitions and giant magnetoresistance in Dy3Co single crystals // Eur. Phys. J. В -2000. -V.16, -P.67-72.

19. Baranov N.V., Goto Т., Hilscher G., Markin P.E., Michor H., Mushnikov N.V., Park J-G. and Yermakov A.A. Irreversible field-induced magnetic phase transitions and properties of Ho3Co // J. Phys.: Condens. Matter -2005. -V.17, -P.3445-3462.

20. Bloch D. and Lemaire R. Metallic Alloys and Exchange-Enhanced Paramagnetism. Application to Rare-Earth—Cobalt Alloys // Phys. Rev. В -1970. -V.2, -P.2658.

21. Wallace W.E. // Progress Rare-Earth Sc. Tech. -1968. -V.3, -P.l.

22. Вонсовский C.B. // Магнетизм. M.: Наука, -1971. С. 1031.

23. Kasyua Т. // Progr. Theor. Phys. -1956. -V.16, -P.45; Yosida M. Magnetic Properties of Cu-Mn Alloys // Phys. Rev. -1957. -V.106. -P.893-898.

24. Rudermann J., Kittel C. Indirect Exchange Coupling of Nuclear Magnetic Moments by Conduction Electrons // Phys. Rev. -1954. -V.96. -P.99-102.

25. Campbell I.A. Indirect exchange for rare earths in metals // J. Phys. F: Metal Phys., -1972. -V.2, -P.47-50.

26. Brooks M.S.S., Eriksson O. and Johansson В J. 3d-5d band magnetism in rareearth transition metal interraetallics: LuFe2 // J. Phys. Condens. Matter -1989. -V.l, N23, -P.5861-5874.

27. Wallace W.E. and Segal E. // Rare Earth Intermetallics (New York: Academic Press) -1973.

28. BuschowK.H.J. //Rep. Prog. Phys. -1977. -V.40, -P. 1179-1988.

29. Staunton J.B., Gyorffy B.L., Poulter J. and Strange P. The relativistic RKKY interaction, uniaxial and unidirectional magnetic anisotropics and spin glasses // J. Phys. Condens. Matter -1989. -V.l, -P.5157-5164.

30. Harmon B.N., Freeman A.J. Spin-polarized energy-band structure, conduction-electron polarization, spin densities, and the neutron magnetic form factor of ferromagnetic gadolinium // Phys. Rev. B -1974. -V.10, -P. 1979-1993.

31. Eriksson O., Nordstrom L., Brooks M.S.S., and Johansson B. 4/-Band Magnetism in CeFe2 // Phys. Rev. Lett. -1988. -V.60, -P.2523-2526.

32. Brooks M.S.S., Eriksson O., and Johansson B. 3d-5d band magnetism in rare earth-transition metal intermetallics: total and partial magnetic moments of the RFe2 (R=Gd-Yb) Laves phase compounds // J. Phys. Condens. Matter -1991. -V.3, -P.2357-2372.

33. Brooks M.S.S., Nordstrom L., Yohansson B. Rare-earth transition-metal intermetallics // Physica B. -1991. -V.172. -P.95-100.

34. Belorizky E., Fremy M.A., Gavigan J.P., Givord D. and Li H. S. Evidence in rare-earth (R)-transition metal (M) intermetallics for a systematic dependence of R-M exchange interactions on the nature of the R atom // J. Appl. Phys. -1987. -V.61, -P.3971.

35. Belorizky E., Gavigan J.P., Givord D. and Li H.S. // Europhys. Lett. -1988. -V.5, -P.349. '

36. Waind P.R., Mackenzie I.S. and McCausland M.A.H. // J. Phys. F: Met. Phys. -1983. -V.13, -P.1041.

37. Berthier Y., Devine R.A. B., Barbara B. and Rossingnol M.F. Mechanism of magnetic coupling in rare-earth-Al2 and rare-earth-Zn compounds // Phys. Rev. B -1978. -V.18, -P.1504-1507.

38. Li H.S., Li Y.P. and Coey J.M.D. R-T and R-R exchange interactions in the rare-earth (R)-transition-metal (T) intermetallics: an evaluation from relativistic atomic calculations // J. Phys. Condens. Matter -1991. -V.3, -P.7277-7290.

39. Brooks M.S.S., Gasche T., Auluck S.3 Nordstrem L., Severin L., Trygg J. and Johansson B. Density functional theory of molecular fields in R-M systems // J. Magn. Magn. Mat. -1992. -V.104-107, -P.1381-1382.

40. Brooks M.S.S., Johansson B., // Handbook of Magnetic Materials -V.7, Ed. Buschow K.H.J., North Holland, 1993.

41. Loewenhaupt M., Fabi P., Sosnowska I., Frick B. and Eccleston R. Temperature dependence of the magnetic excitation spectrum of Dy2Fei4B // J. Magn. Magn. Mat. -1995. -V. 140-144, -P.1053-1054.

42. Radwanski R.J. // Z. Phys. B Condensed Matter -1986. -V.65, -P.65-69.

43. Child H.R., Koehler W.C., Wollan E.O. and Cable J.W. Magnetic Properties of Heavy Rare Earths Diluted by Yttrium and Lutetium // Phys. Rev. -1965. -V.138, -P.A1655-A1660.

44. Coqblin B., The Electronic Structure of Rare-Earth Metals and Alloys: The Magnetic Heavy Rare-Earths (Academic Press, New York, London, 1977) and references therein.

45. Hutchings M.T. Point-charge calculation of energy levels of magnetic ions in crystalline electric fields // Solid State Phys. -1964. -V.16, -P.27.

46. Звездин А.К., Матвеев В.М., Мухин А.А., Попов А.И. Редкоземельные ионы в магнитоупорядоченнух кристаллах // -1965. М., Наука.

47. Newman D.J // Adv. Phys. -1971. -V.20, -P.197.

48. Bradbury M.I., Tewman D.J. Ratios of crystal field parameters in rare earth salts // Chem. Phys. Lett. -1967, -V.l, -P.44-45.

49. Kaplan T.A. Some Effects of Anisotropy on Spiral Spin-Configurations with Application to Rare-Earth Metals // Phys. Rev. -1961. -V.124, -P.329.

50. Elliott R.J. Symmetry of Excitons in Cu20 // Phys. Rev. -1961. -V.124, -P.348.

51. Gignoux D., Gomez-Sal J.C., Lemaire R. and A. de Combarieu. Specific heat and modulated magnetic structures in the HoNio.5Cu0.5 and ErNi0.6Cu<).4 compounds // Solid State Commun. -1977. -V.21, -P.637.

52. Gignoux D., Lemaire R. and Paccard D. On the stability of a transverse wave magnetic structure at 1.3 К // Phys. Lett. A. -1972. -V.41, -P. 187.

53. Baranov N.V., Inoue K., Michor H., Hilscher G., Yermakov A. A. Spin fluctuations in Gd3Rh induced by f-d exchange the influence on the T-linear specific heat // J. Phys. Condens. Matter -2003. -V.15, -N3, -P.531-538.

54. Zhuang Y.H., Zhu Q.M., Li J.Q., Zhou K.W., Deng J.Q., He W. The isothermal section of the Gd-Dy-Co ternary system at 800 К // Journal of Alloys and Compounds -2006. -V.422, -P.214-217.

55. Cromer D.T. and Larson A.C. The crystal structure of La3Co // Acta Cryst. -1961. -V.14, -P. 1226.

56. Bushow K.H.J. and van der Goot A.S. // J. Less Common Metals -1969. -V.18, -P.309.

57. Talik E., Neumann M., Slebarski A., Winiarski A. Properties of Y3Rh and Y3Ir //PhysicaB -1995. -V.212, -P.25-32.

58. Баранов H. В. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. . "Магнитные свойства и магнитные фазовые переходы в интерметаллических соединениях R3T". 1981 г.

59. Baranov N.V., Hilscher G., Markin P.E., Michor H., Yermakov A.A. Spin fluctuations induced by f-d exchange in R3T compounds // J. Magn. Magn. Mat. -2004. 272-276, p. 637-638.

60. Cyrot M., Lavagna M. Itinerant metamagnetism in rare earth-transition metal compounds // J. Appl. Phys. -1979. -V.50, -P.2333.

61. Feron J.L., Gignoux D., Lemaire R., Paccard D. Propriétés magnetiques des composes T3M entre les métaux de terres rares et les mataux de transition de la preiere serie. // In. Less elements des terres rares. Paris-Grenoble 1969. 1970. -V.2, -P.75-80.

62. Feron J.L., Lemaire R., Paccard D., Pauthent R. // J. Phys. F. -1972. -V.2, -N4, -P.761-770.

63. Quig Feng Lu, Izuru Umehara, Yoshiya Adachi, Masato Endo and Kiyoo Sato // Journal of Physical Society of Japan -1997, -V.66, -N5, -P.1480-1484.60. de Gennes P.G., // J. Phys. Radiat. -1962 -V.23, -P.510.

64. Tristan N.V., Nikitin S.A., Palewski T., Skokov K. Incoherent rotation of the erbium magnetic moments during magnetization processes of the Er3Ni and Er3Co compounds // J. Magn. Magn. Mat. -2002. -V.251, -P.155-162.

65. Tristan N.V., Palewski T., Nenkov K., Skokov K.P., Nikitin S.A. Magnetic properties and specific heat of the Dy3Ni intermetallic compound // J. Phys. Condens. Matter -2003. -V.15, -P.5997-6004.

66. Tristan N.V., Nikitin S.A., Palewski T., Skokov K. Comparative analysis of the magnetization processes of the Gd3Ni and Gd3Go single crystals // J. Magn. Magn. Mat. -2002. -V.251, -P.148-154.

67. Kusz J., Bohm H. and Talik E. X-ray investigation and discussion of the magnetostriction of Gd3r (T= Ni, Rh, Irx) single crystals // Journal of Applied

68. Crystallography -2000. -V.33, -P.213-217.

69. Palewski Т., Tristan N.V., Skokov K., Nikitin S.A. Magnetization processes of the Dy3Ni single crystal // Physica В -2004. -V.346-347, -P.169-173.

70. Gignoux D., Lemaire R., Paccard D. Etude des structures magnetiques des composes Er3Co et Er3Ni par diffraction neutronique // Solid State Communications -1970. V.8, -P.391-400.

71. Pelleg J., Carlson O. N. // Journal of the Less Common Metals -1965. -V.9, -P.281-288.

72. Talik E., Szade J., Heimann J. X-Ray examination, electrical resistivity and magnetic properties of R3Co single crystals (R=Y, Gd, Dy and Ho) // J. Less-Common Metals. -1988. -V.138. -P. 129-136.

73. Talik E., Slebarski A. Properties of Gd3T compounds (T=Rh, Ir, Pd) //Journal of Alloys and Compounds -1995. -V.223, -P.87-90.

74. Gignoux D., Lemaire R. Magnetic structures of Tb3Co compound // Труды международной конференции по магнетизму МКМ-73, -Т.5, -С.361-364.

75. Baranov N.V., Hilscher G., Korolev A.V., Markin P.E., Michor H., Yermakov A.A. Magnetic, thermal and electrical properties of Er3Co studied on single crystals // Physica В -2002. -V.324, -P.179-187.

76. Nagai H.} Ogiwara F., Amako Y., Yoshie H., Koga K., Adachi K. Magnetic properties of R3Co (R = Gd, Tb, Dy, Ho, Er) // J. Magn. Magn. Mat. -1995. -V. 140-144, -P.793.

77. N.V. Tristan, S.A. Nikitin, T. Palewski, K. Skokov, J. Warchulska Magnetization of a Gd3Ni single crystal // Journal of Alloys and Compounds -2002. -V.334, -P.40-44.

78. Baranov N.V., Andreev A.V., Kozlov A.I., Kvashnin G.M., Nakotte H., Aruga Katori H. and Goto Т., Magnetic phase transitions in Gd3Co // J. Alloys and Compounds -1993. -V.202, -P.215-224.

79. Burzo E., Kirchmayer H.R., In: H.P.J. Wijn (Ed.), New Series III/19d2, Landolt-Bornstein, Berlin, 1990. -P.28.

80. Talik E. Magnetic and transport properties of the R3Ni system (R = Y, Gd, Tb, Dy, Ho, Er) // Physica В -1994. -V.193, -P.213.

81. Баранов H.B., Вохмянин А.П., Дерягин А.В., Келарев В.В. и др. Магнитная структура соединения ТЬ3Со // Физика металлов и металловедение. -1983. -Т.56. -С.261-265.

82. Akiko Tahakashi Saito, Akiko Tutai, Masashi Sahashi, T. Hashimoto Crystal field effects on thermal and magnetic properties of Er3Co // Jpn. J. Appl. Phys. -1995. -V.34, -P.L171.

83. Podlesnyak A., Daoud-Aladine A., Zaharko O., Markin P., Baranov N. Magnetic structures and magnetic phase transitions in НоЗСо // J. Magn. Magn. Mat. -2004. -V.272-276, -P.565-567.

84. Дерягин A.B., Кудреватых H.B., Москалев B.H., Баранов Н.В. Способ получения монокристаллов. // А.С. 574882 СССР, МКИ В 01 J 17/00.

85. Katayma Т., Shibata Т. Single crystal preparation of rare earth-cobalt intermetallic compound by a BN-coated crucible. // J.Cryst. Growth. -1974. -V.24/25. -P.396-399.

86. Barbara В., Becle C., Lemaire R. and Paccard D. C. R Acad. Sci. Paris В -1970. -V.271, -P.880.

87. Gignoux D. and Lemaire R. Narrow domain wall propagation and metamagnetic properties of a Tbo.5Yo.5Ni single crystal // Solid State Commun. -1974. -V.14, -P.877.

88. Baranov N. V., Pushkarski V. I., Sviderski A. E. and Sassik H. Magnetic properties of liquid quenched R3C0 alloys // J. Magn. Magn. Mat. -1996. -V.157-158, -P.635.

89. Gignoux D. and Schmitt D. Competition between commensurate and incommensurate phases in rare-earth systems: Effects on H-T magnetic phase diagrams // Phys. Rev. В -1993. -V.48, -P.12682.

90. Adachi Y., Lu Y., Umehara I., Sato K., Ohashi M., Ohoyama K. and Yamaguchi Y. Neutron diffraction study of Nd3Co // J. Appl. Phys. -1999. -V.85, -P.4750.

91. Bowden G.J., Bunbury D.St.P., McCausland M.A.H. Crystal fields and magnetic anisotropy in the molecular field approximation. I. General considerations//J. Phys. С -1971. -V.4, -P. 1840.

92. L. Van Hove. Time-Dependent Correlations between Spins and Neutron Scattering in Ferromagnetic Crystals // Phys. Rev. -1954. V.95, -P. 1374.

93. De Gennes, Villain J. Fluctuations d'aimantation et opalescence critique. // Phys. Chem. Sol. -1960. -V.13, -P.10.

94. Givord D., Courtois D. Exchange interactions in R-M intermetallics // J. Magn. Magn. Mat. -1999. -V. 196-197, -P.684.

95. E. Talik, J. Szade, J. Heimann, A. Winiarska, A. Winiarski, A. Chekowski X-ray examination, electrical and magnetic properties of R3C0 single crystals (R = Y, Gd, Dy and Ho) // J. Less Common Metals -1988. -V.138, -P.129-136.

96. Синицын E. В. // Диссертация иа соискание ученой степени доктора физико-математических наук. 1988 г.

97. ASM International's Binary Alloy Phase Diagrams, Second Edition // ASM International.