Тепловое расширение германидов и силицидов переходных металлов состава Me5X3 в области магнитных фазовых превращений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1. Термодинамическая теория теплового расширения

1.1.1. Основные терлодинамические соотношения

1.1.2. Решеточный вклад в тепловое расширение

1.1.3. Электронный вклад в тепловое расширение

1.1.4. Магнитный вклад в тепловое расширение

1.1.5. Влияние фазовых переходов на тепловое расширение.

1.1.6. Анизотропия теплового расширения.

1.2. Кристаллическая структура и физические свойства германидов и силицидов состава Ме^. Х^

1.2.1. Кристаллическая структура.

1.2.2. Магнитные характеристики

1.2.3. Тепловые свойства

1.3. Постановка задач исследований.

2. ЭКСПЕЖЛЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ.

2.1. Приготовление сплавов и их аттестация.

2.2. йлкостной дилатометр.

2.2.1. Устройство емкостного дилатометра

2.2.2. Оценка систематических погрешностей результатов дилатометрических измерений.

2.3. Прочие методы исследований.

3. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ СИЛИЦИДОВ И ГЕНШИДОВ Зс/ И ^ / -ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ СОСТАВА

3.1. Влияние магнитных взаимодействий на тепловое расширение Мп^

3.2. Тепловое расширение Мп5. £ с 3 в области фазовых превращений.

3.3. Тепловое расширение германидов и силицидов РЗМ . 83 4. ВЛИЯНИЕ СОСТАВА НА ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ ТВЕРДЫХ

РАСТВОРОВ (Ре^ Со,.* &е

ЗАКЛШЕНИЕ.

Выводы

1. Дилатометрическим методом исследован концентрационный фазовый переход пара-ферромагнетизм в твердых растворах ре^ Со) (уеу При этом обнаружено, что возникновение слабого зонного ферромагнетизма в сплавах с К 0,20 сопровождается инварными аномалиями в их коэффициентах линейного теплового расширения. Дальнейшее увеличение атомов железа ( X > 0,50) приводит к исчезновению заметного отрицательного вклада в сС исследованных объектов. Последнее связано, по-видимому, с изменением магнитного упорядочения системы от слабого зонного ферромагнетизма к ферромагнетизму локализованных моментов.

2. Инварные аномалии обнаружены также и в переходной области концентраций 0 < X 0,20. Результаты дилатометрических исследований совместно с данными магнитных измерений указывают на то, что причиной указанных особенностей для этих сплавов является, наряду с отсутствием дальнего магнитного порядка, возникновение, при внедрении атомов железа, областей поляризации коллективизированных с1 -электронов матрицы Со$- , обладающих "гигантскими" магнитными моментами.

ЗАКЛКЯЕНИЕ

Как следует из предыдущего изложения, в диссертационном исследовании с помощью разработанного автором емкостного дилатометра изучены температурные зависимости (от 4,2 до 300 К) коэффициентов линейного теплового расширения большой группы германидов и силицидов 3d и -переходных металлов со стехиометрической формулой Ме^ , а также некоторых их взаимных твердых растворов (Ме~ Ме~ )s . Не перечисляя подробно частных выводов, целесообразно остановиться на следующих основных результатах.

1. Установлены закономерности изменения коэффициента линейного теплового расширения с температурой в окрестности критических точек для изученных соединений и твердых растворов. Показано, что особенности поведения магнитной составляющей oL могут быть описаны логарифмическими функциями приведенной температуры.

2. Изучены зависимости с{(т) вдоль основных кристаллографических направлений в монокристаллических образцах и ^^ 1 з и установлен характер развивающихся в них магнитных фазовых превращений. Показано, что температурная зависимость магнитного вклада в оС для определяется совместным влиянием обменной и одноионной магнитострикции.

3. Обнаружено наличие корреляции между типом магнитного упорядочения и величиной, а также знаком спонтанной магнитострикции германидов РЗМ состава &е^ .

4. Впервые исследовано влияние состава на коэффициент линейного теплового расширения взаимных твердых растворов f~ex Со • Показано, что концентрационный фазовый переход пара-ферромагнетизм в этой системе происходит через переходную область составов (0 X < 0,20) в пределах которой отсутствует дальний магнитный порядок, но формируются области магнитной поляризации, что приводит, в области низких температур, к инварннм аномалиям коэффициента линейного теплового расширения. Обнаружено, что установление слабого зонного ферромагнетизма в сплавах с X 0,20 также сопровождается инварными аномалиями ОС

Результаты диссертационного исследования нашли отражение в следующих публикациях:

1. Бармин СЛ., Кренцис Р.Н., Гельд П.В., Севастьянов A.A. Физические свойства Mds . - ФТТ, 1981, т.23, в.II, с.3446-3448.

2. Севастьянов A.A., Бармин С.М. йдкостной дилатометр. - Свердловск, 1982. - 4с. (Препринт Свердловского ЦНТИ: В 637-82).

3. Севастьянов A.A., Бармин СЛ., Кортов C.B., Кренцис Р.Н., Гельд П.В. йлсостной дилатометр с чувствительностью 0,1. нм в интервале температур от 4,2 до 300 К. - В кн.: Ш Всесоюзное совещание по низкотемпературным теплофизическим измерениям и их метрологическому обеспечению: Тез. докл. Москва: изд. ВНШФТРЙ, 1982, с.62-63.

4. Кренцис Р.Н., Бармин С.М., Севастьянов A.A., Гельд П.В. Магнитные характеристики

ФТТ, 1982, т.24, в.9, с.2856-2859.

5. Севастьянов A.A., Бармин С.М., Кортов C.B., Кренцис Р.Н., Гельд П.В. Влияние магнитного превращения на немагнитные свойства Се^ &е3 . - ФТТ, 1983, т.25, в.2, с.591-593.

6. Севастьянов A.A., Бармин С.М., Кренцис Р.П. Тепловое расширение германидов легких РЗМ состава • - В кн. : Четвертая Всесоюзная конференция по кристаллохимии интерметаллических соединений: Тез. докл. Львов, 1983, с.228-229.

7. Бармин С.М., Калишевич Г.И., Севастьянов A.A. Теплоемкость и тепловое расширение твердых растворов (Еех &г-х)г &е3 при низких температурах. - В кн. : Четвертая Всесоюзная конференция по кристаллохимии интерметаллических соединений: Тез. докл. Львов, 1983, с.229-230.

8. Севастьянов A.A., Бармин С.М., Кортов C.B., Кренцис Р.П., Гельд П. В. Тепловое расширение монокристаллов &е3 в интервале температур от 4,2 до 800 К. - ФТТ, 1983, т.25, в.12, с.3612-3616.

9. Севастьянов A.A., Бармин С.М. Использование микроЭШ "Электроника ДЗ-28" для расчета коэффициента линейного теплового расширения (КЛТР)при измерениях с помощью. емкостного дилатометра в интервале 4,2-300 К. - В кн. : Научно-техническая конференция "Совершенствование способов получения и технологии обработки металлов и сплавов": Тез. докл. Свердловск: изд. УШ, 1984, с.91-92. . .

10. Севастьянов A.A., Кортов C.B., Бармин С.М. Тепловое расширение антиферромагнетиков Mи М»5 Si. при низких температурах. - В кн. : Всесоюзный симпозиум "Неоднородные электронные состояния": Тез. докл. Новосибирск, 1984, с.174-175.

11. Севастьянов A.A., Бармин С.М., Кренцис Р.П., Гельд П.В. Тепловое расширение германидов легких РЗМ состава &е3 при низких температурах. - Известия вузов. Физика, 1984, № 5, с.117-119.

12. Кортов C.B., Севастьянов A.A., Бармин С.М. Природа магнитного вклада, в тепловое расширение - ФТТ, 1984, т.26, в.-6, с.1899-1901.

13. Бармин С.М., Михельсон A.B., Севастьянов A.A., Кортов C.B., Гельд П. В. Тепловое расширение монокристаллов ^и5-^î$ • -ФТТ, 1984, т.26, в.II, с.3290-3293.

Автор выражает глубокую благодарность руководителям -член-корреспонденту АН СССР,. профессору, д.т.н. Гельду П.В. и ст.н.с., к.ф.-м.н. Бармину.С.М. за.постановку задачи.и руководство работой, а также ст.н.с., к.ф.-м.н. Фролову A.A. за предоставление используемых в работе монокристаллов.

1. Новикова С.И. Тепловое расширение твердых тел. - М.: Наука, 1974. - 291с.

2. Barron Т.Н.К., Collins J.G., White G.K. Thermal expansion of solids at low temperatures. Advances in Physics, 1980,v. 29, N 4, p. 609-730.

3. Gallina V., Omini M. A quantum theory of thermal dilatation in solids. J. Phys. Chem. Solids, 1966, v. 27, p. 1479-1493.

4. Leibfried G., Ludwig W. Theory of enharmonic effects in crystals. Sol. St. Physics., 1961, v. 12, p. 275-444.

5. Bijl D., Pullan H. Thermal expansion of simple solids at low temperatures and GrHneisen low. Phil. Mag., 1954, v. 45,1. К 362, p. 290-294.

6. Blackman M. On the thermal expansion of solids. Proc. Phys. Soc., 1957, V. B70, N 453, p. 827-832.

7. Varley J.H.O. The thermal expansion of pure metals and the possibility of negative coefficient of volume expansion. -- Proc. Eoy. Soc., 1956, v. A237, H" 1210, p. 413-421.

8. Davis H.L., Faulkner J.S., Joy H.W. Calculation of the band structure for cooper as a function of lattice spacing. Phys. Hev., 1968, v. 167, N 3, P. 601-607.

9. Wallace D.C. Theoretical calculation of the electronic thermal expansion of simple metals. J. Appl. Phys., 1970, v.41, N 13, p. 5055-5056.

10. White G.K. The thermal expansion at low temperatures Y. Dilute alloys of manganese in copper. - J. Phys. Chem. Solids,1962, v. 23, N 1-2, p. 169-171.

11. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. М.: Наука,1976. 583 с.- 124

12. Philp J.W., Gonano B., Adams E.D. Critical-region thermal expansion in MnCl^f^O and MnBr2*4H20. Phys. Rev., 1969, v. 188, N 2, p. 973-979.

13. Gallen E., Callen H. Magnetostriction and anomalous thermal expansion in ferromagnets. Phys. Rev., 1965, V. A139, N 2, p. 4-55-471.

14. Ford J.P. Spin glasses. Oontemp. Physic, 1982, v. 23, N 2, p. 141-156.

15. Cyrot M. Olasters and the spin-glass transitions. Sol. St. Comm., 1981, v. 39, N 9, p. 1009-1012.

16. Kortekaas T.F.M., Franse J.J.M. Thermal expansion of some Ui^Al and Ni-Pt alloys. Phys. Stat. Sol., 1977, v. A40, N2, p. 479-485.

17. Lehtinen M., Parviainen S., Stenholm H. Determination of the thermal expansion of some pseudobinary Ti(Fe, Go) compounds from 4,2 to 300 E using a three-terminal capacitance dilato-meter. Ann. Acad. Sci. Fennical, 1981, v. A6, N 427, p.1-25.

18. Greuzet G., Gampbell J.A., Smith J.L. Thermal expansion and spin density fluctuations in i^^1161311^ ferromag-nets. J. Physique-Letters, 1983, v. 44, N 15, L-547 - L-552.

19. Muraoka Y., Shiga M., ITakamura Y. Magnetovolume effects in Zr(Fe1-x0ox)2. J. Phys.F: Metal. Phys., 1980, v. 10, N 1, p. 127-139.- 125

20. Cizewski В. Magnetic structure of the Mn^Ge^ alloy. Phys. Stat. Sol., 1963, v. 3, N11, p. 1999-2004.

21. Lander G.H., Brown P.J. Electron density distribution in the alloy Mn^Si^. Phil. Mag., 196?, v. 16, N 141, p. 521-524.

22. Вржецеоно П. Магнитокристаллическая анизотропия интерметаллического соединения Mh^Ge^ . Изв. АН СССР, Физика, 1964, т. 28, № 3, с. 601-606.

23. Lecocq Y., Laridjani M., Lecocq P. Influence respective du fer et du manganese sur les propriétés magnetiques de Mn^Ge^ et de Fe^Ge2. C.E. Acad. Sci., 1964, v. 258, N 8, p. 2344-2347.- 126

24. Lander G.H., Brown P.J., Forsyth F.В• The antiferromagnetic structure of m^Sly Proc. Phys. Soc., 1967, v. 91, N 572, p. 352-343.

25. Рудакова Н.П., Кузнецов С.И., Михельсон А.В., Сычев Н.И., Гельд П.В. Ь&гнитные переходы в твердых растворах (Mn1-xPex)5Si5 • Докл. АН СССР, 1976, т. 228, № 3, с. 582-585. . .

26. Повзнер А.А., Шейнкер М.Б., Кренцио Р.П., Гельд П.В. Магнитная структура поликристаллического Mn^Si^ между б'б и 100 К.- Изв. ВУЗов. Физика, 1978, № 5, с. 126-128.

27. Кренцис Р.П., Радовский И.З., Гельд П.В., Андреева Л.П. 0 фазовом превращении в Mn^Si^ • ЖНХ, 1965, т. 10, № 9,с. 2192-2193.

28. Радовокий И.З., Коршунов В.А., Гельд П.В. 0 магнитной восприимчивости Mn^Sij и MnSi . Изв. ВУЗов, Физика, 1965, № 3, с. 144-145.

29. Рудакова Н.П., Михельсон А.В., Кренцис Р.П., Калишевич Г.И., Гельд П.В. Слабый ферромагнетизм Mn^Si^ . ФТТ, 1974, т. 16, te II, с. 3515-3518.

30. Кренцис Р.П., Бармин С.М., Севастьянов А.А., Гельд П.В. Магнитные характеристики La^Ge^, Ce^Ge^, Pr^Ge^.- ФТТ, 1982, т. 24, fê 9, с. 2856-2 859.

31. Бармин G.M., Кренцис P.П., Гельд П.В., Севастьянов А.А. Физические свойства Nd^Ge^ . ФТТ, 1981, т. 23, №11, с. 3446-3448.- 127

32. Сафонов В.Н., Гельд П.В., Сычев Н.И., Калишевич Г.И., Верещагин Ю.А. Низкотемпературные фазовые превращения в Gd^Si^, Tb5Si3 , Dy5Si$ . ФТТ, 1983, т. 25, № 9, с. 27852786.

33. Сафонов В.Н. Теплоемкость силицидов и германидов РЗМ со структурой Д8ф при низких температурах. Дисс. на соиск. ученойстепени канд. физ.-мат. наук, Свердловск, УПИ, 1984, 138 с.

34. YasukBchi К., Kanematsu К., Ohoyama Т. Magnetic properties of intermetallic compaunds in iron-germanium system: Fe^ grjGe and FeGe^.- ,J.Phys.Soc. Japan, 1961, v. 16, N 3, p. 429-4-33.

35. Штольц А.К., Гельд П.В., Загряжский В.Л. Некоторые электрические и магнитные свойства -фазы системы Fe~ Ge . $ММ, 1963, т. 16, в. 2, с. 198-204.

36. Белокуров E.B. Теплоемкость германидов 3d-переходных металлов типа Me^Ge^. при низких, температурах. Дисс. на соиск. ученой степени канд. физ.^мат. наук, Свердловск, УПИ, 1979, 181 с.- 128

37. Калишевич Г.И., Шейнкер М.Е., Загряжский В.Л., Гельд П.В. Теплоемкость соединения Mn^Ge^ . « $ТТ, 1971, т. 13, № 2, с. 637-638.

38. Ido Н., Takanobu S., Takcjiro К. Exchange strictions of ferromagnetic compound Mn^Ge^. J. Phys. Soc. Japan, 1970, v. 29, N 6, p. 1490-1494.

39. Гельд П.В., Михельсон А.В., Калишевич Г.И., Кренцис Р.П., Путинцев Ю.В., Судакова Н.П. Фазовые превращения в Mn^Si^. -- ФТТ, 1972, т. 14, в. 3, с. 930-932.

40. Калишевич Г.И., Судакова Н.П., Михельсон А.В., Гельд П.В., Суриков В.И. Теплоемкость , Mn^Si^ и Fe^Si^ при низких температурах. ФТТ, 1974, т. 16, № 7, с. 2123« -2125.

41. Истомина З.А., Зиновьева Г.П., Гельд П.В. Динамика решетки

42. Mnr-Si, • Депонир. в ВИНИТИ, январь 1982, № 24-82, 12 с, 5 5

43. Сычев Н.И. Теплофизические свойства силицидов 3d -переходных металлов с кристаллической структурой Д8д. Дисс. на соиск. ученой степени канд. физ.-мат. наук, Свердловск, УПИ, 1981, 140 с.

44. Сафонов В.Н., Бармин С.М., Сычев Н.И., Калишевич Г.И. Низкотемпературные теплоемкости соединений R.-Ge2 ( R = La,5 р

45. Gd , ТЪ, Dy, 1д1 ). В кн.: Неоднородные электронные состояния: Тез. докл. Всесоюзного симпозиума. Новосибирск, 1984, с. 170-171.

46. Thomson А.М* The precise measurement of small capacitances.

47. J.R.E. Trans. Instrum., 1958, v.7, N -3-4, p. 245-253.

48. Амитин Е.Б., Ковалевская Ю.А., Набутовская О.А. Высокочувствительный дилатометр с мостовой схемой измерения емкости. -ПТЭ, 1981, В 4, с. 207-209.

49. Зисман А.Н., Качинский В.Н.» Меховицкий В.А,, Стишов С.М. .Дилатометрическое исследование критических явлений при сег» нетоэлектрическом фазовом переходе в SbSi . « ЖЭТФ, Г979, т. 77, в. 2, с. 640~652.

50. White G.K. Measurement of thermal expansion at low temperatures. Cryogenics, 1961, v. 1, И" 1, p. 151-158.

51. Lyon K.G., Salinger G.L,, Swenson C.A., White G.K. Linear thermal expansion measurements on silicon from 6 to 340 K. -J. Appl. Phys., 1977, v. 48, N 3, p. 865-868.

52. White G.K. Thermal expansion of magnetic metals at low temperatures. Proc. Phys. Soc., 1965, v.86, N 1, p. 159-169.

53. Pott R., Schefzyk. Apparatus for measuring the thermal expansion of solids between 1.5 and 380 K. J. Phys. E: Sci. Instrum., 1983, v.16, N 5, p. 444-449.

54. Васильев C.H. Предельная чувствительность абсолютного дилато«» метра. ВМУ, физика, астрономия, 1980, т.21, $ б, с. 83«86.

55. Bean C.R., Rodbell D.S. Magnetоvolume effects in ferromagnets Phys. Rev., 1962, v. A126, U 1, p, 104-115.

56. Bloch D., Pauthenet R. Variation avec la pression des points de Curie de Gd et Mn^Ge^ du point de compensation de 5Fe203*3Gd203. C.R. Acad. Sci., 1963, v. 256, II 8,p.1222-1227.- 130

57. Бурханов А.М., Смородинский Л.Г., Факидов И.Г. Температурная зависимость сжимаемости магнетиков на основе модели Бина-Родбелла. ФТТ, 1976, т. 18, Ш 2, с. 465-468.

58. Matsunaga М., Yoshikazu I., Hakajiama Т. Magnetо-volume effect in the weak itinerant ferromagnet MnSi. J. Phys. Soc. of Japan, 1982, v. 51, К 4, p. 1153-1161.

59. Белов К.П. Редкоземельные магнетики и их применение. М.: Наука, 1980. « 239 с.

60. Tawara Y., Sato К. On the magnetic anisotropy of single crystal of Mn^Ge^.-J.Phys.Soc. of Japan, 1963,V.18,H 6,p.773-777.

61. Sato K., Adachi K., Tawara Y. On the magnetic properties of Mn^Ge^. Mem. Рас. Engng. Nagoya Univ., 1967, v.19, N 1, p. 167-170.

62. Сalien H., Callen E. The present status of the temperature dependence of magnetоcrystalline anisotropy, and the 1(1+1)/2 power law. J. Phys. and Chem. Solids, 1966,v. 27, Ж 8, p. 1271-1285.

63. Мейзер К.И., Кренцис P.П., Фролов A.A., Гельд П.В. Анизотро« гшя кинетических коэффициентов Mn^Si^. ФТТ, 1973, т. 15, № 10, с. 3123-3125.

64. Истомина З.А., Зиновьева Г.П., Андреева Л.П., Гельд П.В., Михельсон А.В. Упругие характеристики Mn^Si^ в диапазоне температур 20*400 К. « ФТТ, 1980, т.22, № I, с. 281-283.

65. Истомина З.А. Упругие и магнитоупругие характеристики Mn Si^ и твердых растворов на его основе. Дисс. на соиск. ученой степени канд. рз.^ат. наук, Свердловск, УПИ, 1982, 144 с.

66. Севастьянов А.А., Бармин С.М., Кренцис Р.П., Гельд П.В. Тепловое расширение германидов легких РЗМ состава R5Ge3 при низких температурах. Изв. ВУЗов, Физика, 1984, № 5, с. II7-II9

67. Бармин С.М., Кренцис Р.П., Гельд П.В., Севастьянов А.А. Физические свойства Ha5Ge3. „ фтТ, 1981, т.23, № И, с. 3446-3448.- 131

68. Бармин С.М., Кренцис Р.П., Гельд П.В., Баталин В.Г. Тепловое расширение германидов РЗМ со структурой Д8д. ФТТ, 1979, т. 21, № 10, с. 3174-3176.

69. Rodes P., Wholfarth Е.Р. The effective Curie-Weiss constant of ferromagnetic metals and alloys. Proc. Roy. Soc., 1963, v. A273, N 1353, p. 247-258.

70. Wohlfarth Е.Р. The invar problem. IEE Tranc. Mag., 1975, v. MAG-11, N б, p. 1638-1647.85« "Vogt E. The transition region from paramagnetism to ferromagne-tism of the transition metals and their alloys. Phys. Stat. Sol., 1972, v. B50, II 2, p. 653-660.

71. Wohlfarth E.P. Ferro-magnetic materials. Amsterdam-New York-Oxford: North-Holland Pyblishing company, 1980, v. 1, 633 p.

72. Low G.G., Holden T.M. Distribution of the ferromagnetic polarisation induced by iron and cobalt atoms in palladium. -Proc. Phys. Soc., 1966, v. 89, N 563, p. 119-127.

73. Treutmann W. Magnetische untersuchungen am isoelektronischen Legierungssystem Pslladium-Platin. Z. angew. Phys., 1970, N 30, S. 5-8.

74. France J.J.M. Magnetovolume effects in transition metal alloys near the critical composition for ferromagnetism. J. Magn. and Magn. Mater., 1979, v. 10, N 1, p. 259-264.

75. Geerken B.M., Nieuwenhuys G.J. Thermal expansion of (giant) PdMn and (RKEY) 0 PdHMn spin glasses. Physica, 1983,v. BC115, N 1, p. 5-9.

76. Fawcett E., McWhan D.B., Sherwood R.C., Sarachik M.P. Strain dependence of exchange interactions in dilute PdFe alloys and in pure Pd. Sol. St. Commun., 1968, v.6, N 7, P- 509-513.

77. Kubmann A., Jessen K. Magnetische und dilatometrische Messungen zur Umwandlungskinetik der Eisen-Palladium-Legierungen. -- Z. Metallk., 1963, B. 54, N 9, S. 540-510.