Влияние магнитного состояния на гальваномагнитные свойства переходных и редкоземельных металлов и сплавов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

о у. 99 -

; -//4*$.7

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА

Физический факультет

Г п. П 1(1 ?\ 077 "

^ л На правах рукописи

; ■ I ■ - " ^

I (решение от " 3 " * Р. =.. ':. Щ/М

Прудников Валерий Николаевич

лачальнж

"ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО СОСТОЯНИЯ НА ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ПЕРЕХОДНЫХ И РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

01.04.11 - физика магнитных явлений

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва - 1999

"Btj&iI Мл МУНШС ùOJMulMHtCSÎ, 44ЫХ эффш^, 4¿&tf*cf4vlX Mist CtWXAC

С <М1£МуЫл Ал^уЛМЫу (уШ^^иШАЛ.

М1>ШМл^М4Ц О&МИМл, пятила

МОЦШ^- MAC многому С

4*OMOtA¿t MAM ¿ fWMAMM*

Э.Г. хом

Оглавление

Введение

Ф^т^Ш:: .....

§1.1. Эффект Холла_ 1.1.1. Введение

1.1.2. Аномальный эффект Холла при баллистичесом переносе

1.1.3. Аномальный эффект Холла при диффузионном и прыжковом переносе

1.1.4. Эффект Холла в спиновых стеклах

§1.2. Магнитосопротивление_

11 11 .13 .19 22 27

«ПНЯМ

.г •-................• . Чг . ¥ -V .-.у . г

§2.1. Методика получения образцов и основные характеристики исследуемых материалов_

2.1.1. Парамагнетики ланжевеновского типа

2.1.2. Парамагнетики паулиевского типа

2.1.3. Редкоземельные металлы и сплавы

32 .32 .32

33

2.1.4. Сплавы на основе Мп СМп-ва. Мп-Си)

2.1.5. Аморфные сплавы Ре10о-хВх_

2.1.6. Гоанулиоованные сплавы системы (Со7оРез0)хАдюо-х_

2.1.7. Ферромагнитные композиты Союо-х(СиО)х_

§2.2. Описание установки для исследования магнитной восприимчивости_

§2.3. Конструкция установки для проведения термомагнитного анализа_

§2.4. Экспериментальные методики, используемые при изучении теплового расширения_

§2.5. Установка для измерения гальваномагнитных эффектов_ §2.6. Методика определения коэффициентов Холла_

.33 .34 .37 .42 _54 57

.59 _64 66

.Г?

I

§3.1. Обзор теоретических и экспериментальных работ по эффекту Холла в переходных парамагнитных металлах и сплавах_

§3.2. Магнитная восприимчивость, эффект Холла и электрическое сопротивление парамагнетиков ланжевеновского тип (сплавы Рв-Та)_ §3.3. Особенности поведения кинетических эффектов в паулиевских

парамагнитных металлах и сплавах_

3.3.1. Цирконий и рений_

70

.74

.82 82

3.3.2. Поликристаллический и монокристаллический скандий

3.3.3. Сплавы системы скандий-гафний

§3.4. Выводы_

_86 92 95

Î .

Г

W'

JLW

Jl_л.

.1

Л_

«

il

¿Шк,

ъ

Л JL

Г

Illfa

§4.7. Магнитные свойства и магнитная структура тяжелых редкоземельных металлов (обзор)_

§4.2. Гальваномагнитные свойства тяжелых редкоземельных металлов и сплавов (обзор)_

§4.3. Анизотропия электрического сопротивления монокристаллов гольмия_

§4.4. Магнитосопротивление монокристаллов гольмия_

§4.5. Эффект Холла в монокристаллах гольмия_

107

_112 124 129 134 145

§4.6. Намагниченность, электропроводность и эффект Холла сплава Но40ТЬ60_

§4.7. Эффект Холла и электрическое сопротивление монокристаллов диспрозия_153

§4.8. Выводы__;_158

.....'-Щ jjj|i if |

шЁйШпШлш

ш

§5.1. Двухподрешеточные фрустрированные магнетики в теории и эксперименте _

5.1.1. Антиферромагнетики с фрустрациями

5.1.2. Фрустрированные Феооимагнетики

5.1.3. Неэргодичность и анизотропные эффекты в спиновом стекле_

§5.2. Фрустрированные магнитные состояния в неупорядоченных сплавах на основе у-модификации марганца_

5.2.1. Особенности структуры и свойства у-модиФикаиии Мп и его сплавов_

5.2.2. Намагниченность, эффект Холла и электропроводность сплавов у-МпСи

5.2.3. Магнитные и кинетические свойства атомно-оазупооядоченного твердого раствора г-Мпва_

5.2.3.1. Состояние фрустрированного антиферромагнетизма в у-Мп3ва и ступени перехода в состояние спинового стекла_

5.2.3.2. Модель высокотемпературного спинового стекла у-Мп30а_

5.2.3.3. Фазовая диаграмма <0>-Т в сплавов у-Мп3ва_

5.2.3.4. Кинетические свойства атомно-разупорядоченного сплава y-Mn3Ga_

§5.3. Магнитные и гальваномагнитные свойства частично упорядоченного сплава е-Мп3ва_

5.3.1. Структура сплавов е-Мпзва с атомным упорядочением по типу Р0,г_

5.3.2. Магнитное состояние е'-Фазы Мп,Са_

5.3.3. Кинетические свойства е-Мплва_

§5.4. Магнитные и кинетические свойства упорядоченного сплава е-Мп3Оа_ 5.4.1. Структура сплавов е-Мпзва. упорядоченных по типу 00«_

151 151 167 _169

177 177 181

_190

191 204 206

210

217 217 219 232 238 238

5.4.2. Магнитные свойства е-Фазы сплава Мп3ва_242

5.4.3. Аномалии кинетических свойств е-Фазы сплава Мпзва_245

§5.5. Выводы__245

§6.1. Магнитные свойства аморфных сплавов Fe10o.xBx (х=12.2,13.1,14.4, 18.1 ат.%)

и мелкокристаллических (х=9.9,11.0 ат.%) в слабых магнитных полях_254

§6.2. Тепловое расширение аморфных сплавов Fe-B_271

§6.3. Особенности явлений переноса в аморфных магнитных материалах_285

§6.4. Поперечное магнитосопротивление сплавов Fe10o-xBx_288

§6.5. Эффект Холла сплавов Fe100.xBx_306

§6.6. Выводы____326

ГигантскоеТмагнитосопротивление в сплавах переходных металлов_328

§7.2. Аномальный эффект Холла в магнитных гранулированных сплавах

переходных металлов_334

§7.3. Магнитное состояние, электропроводность и эффект Холла системы сплавов "ферромагнитный проводник- неферромагнитный проводник" (Со-Ре)Ад_339

7.3.1. Поперечное магнитосопротивление сплавов (СопРезо^Адюо-х_ _339

7.3.2. Эффект Холла в сплавах (Со7оРезо)хАдюо-х_345

§7.4. Магнитные свойства и аномальные кинетические эффекты

в ферромагнитных композитах Со(СиО)_356

7.4.1. Магнитные свойства системы Союо-х(СиО)х_ _356

7.4.2. Магнитосопротивление системы Со10о-х(СиО)к_360

7.4.3. Холловское сопротивление композитов Соню-ЛСиО),_364

§7.5. Выводы_367

Заключение_368

Литература_378

Введение

Гальваномагнитные явления, т.е. явления, связанные с влиянием магнитного поля на движение носителей электрического тока в проводнике, привлекли к себе внимание после открытия Холлом [В1 — В4] нового эффекта, названного впоследствии его именем. Вскоре после этого было обнаружено существование других аналогичных явлений — четных и нечетных гальвано— и термомагнитных явлений.

Существенным достоинством гальваномагнитных исследований является их методическая простота и относительно невысокие требования к чистоте и степени совершенства кристаллов. Благодаря этим обстоятельствам гальваномагнитные измерения явились исторически первыми методами, которые были использованы для систематического изучения электрофизических характеристик металлов.

В настоящее время довольно широко исследованы явления переноса в кристаллах, не содержащих атомов переходных элементов. Хотя и для этих кристаллов не всегда имеется удовлетворительная количественная теория, тем не менее здесь обычно хорошо известны главные механизмы основных кинетических эффектов.

Совершенно с другой ситуацией мы сталкиваемся в области исследований кристаллов переходных и редкоземельных элементов, их сплавов и соединений. Конечно, основные представления электронной теории переноса применимы и здесь, однако, наличие добавочных факторов, связанных с существованием незаполненных электронных оболочек в атомах переходных и редкоземельных элементов, проявляется в кристаллах, обладающих магнитным порядком. Существование магнитного порядка в этих кристаллах приводит к аномальным эффектам при движении носителей тока во внешних электрических и магнитных полях. Тепловые флуктуации в системе магнитных электронов способствуют появлению нового механизма рассеяния носителей тока, связанного с их обменным взаимодействием с магнитными электронами. Существование намагниченности приводит к снятию спинового вырождения носителей тока и к появлению зависимости характеристик их спектра от величины спонтанной намагниченности. В ряде случаев, например, при образовании магнитных подрешеток из —за пространственной симметрии кристалла, последний эффект может привести к снятию пространственного вырождения, появлению новых границ Бриллюэна, к существенному изменению спектра и плотности состояний носителей тока.

В связи с этим, наибольший интерес представляют исследования кинетических эффектов в таких переходных и редкоземельных металлах и сплавах, в которых реализуется многообразие магнитных структур и магнитных состояний. Исследования гальваномагнитных эффектов, в том числе, эффекта Холла и эффекта изменения электрического сопротивления в магнитном поле, дают информацию как о природе самого магнетизма, так и о механизме проводимости в этих материалах. Этим объясняется постоянный интерес к исследованию гальваномагнитных явлений в ферромагнитных металлах.

При изучении гальваномагнитных эффектов в веществах, в которых в процессе эксперимента меняется магнитное состояние, был обнаружен ряд удивительных аномалий.

Основные количественные соотношения для эффекта Холла в ферромагнетиках были установлены Пюхом [В5] и Кикоиным [В6,В7], а для четного гальваномагнитного эффекта — Гольдгаммером [В8,В9].

Эффект Холла среди других гальваномагнитных эффектов занимает особое место как

по его практическому значению, так и по количеству посвященных этому явлению

5

исследований. Это явление в ферромагнитных металлах было обнаружено самим Холлом [В2]. Постепенно выяснилось, что эффект Холла в ферромагнетиках отличается от этого эффекта в обычных металлах рядом особенностей.

В работе [В4] Холл показал, что поперечная ЭДС, как он называл ЭДС Холла, в ферромагнетиках растет не пропорционально напряженности внешнего магнитного поля, а стремится к некоторому предельному значению. Кундт [В10] отметил, что в ферромагнитных металлах эффект Холла, по —видимому, определяется намагниченностью вещества, а не напряженностью внешнего магнитного поля и предельное значение эффекта при данной температуре должно соответствовать намагниченности насыщения.

Поскольку в этих работах намагниченность образцов не измерялась, невозможно было выяснить, какая из трех величин — намагниченность, напряженность внешнего поля или индукция — определяет эффект Холла в ферромагнетиках.

И только в тридцатых — сороковых годах нашего столетия благодаря экспериментальным работам Пюха [В5] и Кикоина [В6,В7] было количественно установлено, что эффект Холла в ферромагнетиках пропорционален намагниченности.

Каждый последующий этап развития теории металлов, начиная с исследования идеальных металлов, затем металлов с примесями и, наконец, многокомпонентных кристаллических и некристаллических сплавов, связан, прежде всего, с объяснением электронных явлений переноса в этих веществах.

До начала 70—х годов основное внимание уделялось изучению электрических, гальвано— и термомагнитных явлений в чистых ферромагнитных металлах и разбавленных сплавах [В11,В12]. К концу 70—х годов, в основном, были поняты особенности явлений переноса в неупорядоченных кристаллических ферромагнитных сплавах и началось интенсивное исследование аморфных ферромагнитных систем, которое плавно переросло в изучение кинетических эффектов в спиновых стеклах, результаты этих исследований подробно рассмотрены в работах [В13.В14].

Развитие нанотехнологии и поиск новых магнитных материалов привел к открытию в 1988 году эффекта гигантского магнитосопротивления в мультислоях, что явилось толчком к систематическим исследованиям магнитонеоднородных систем. Поэтому закономерно, что в последние годы был обнаружен целый ряд структур и состояний, обладающих уникальными и полезными свойствами (спин — вентильные сэндвичи, гранулированные сплавы, системы с туннельными контактами, нанокомпозиты). Были открыты новые эффекты, такие как, инверсное гигантское магнитосопротивление в мультислоях и композитах, гигантсий аномальный эффект Холла в нанокомпозитах и колоссальный эффект Холла в манганитах.

Таким образом, из сказанного выше следует, что ряд принципиальных вопросов в аномальных кинетических эффектах экспериментально не исследован или исследован совершенно недостаточно. Пробелы имели место при изучении гальваномагнитных эффектов в паулиевских парамагнетиках, в редкоземельных металлах в области геликоидального магнитного упорядочения, в спиновых стеклах, особенно в спиновых стеклах, в которых наблюдается фаза возвратного спинового стекла, в гранулированных системах "металл— металл" и "металл—полупроводник".

Положение, особенно в эксперименте, сложившееся к началу выполнения настоящей работы в области физики неупорядоченных магнитных материалов, потребовало развития нового научного направления, связанного с исследованием гальваномагнитных свойств магнетиков со сложной магнитной структурой.

Общей целью работы являлось установление фундаментальной связи магнитной структуры и магнитного упорядочения с поведением носителей тока в реальных магнитных системах, в которых реализуется большое разнообразие магнитных состояний.

Для осуществления поставленной цели необходимо было с привлечением магнитных, электрических, теплофизических и других методов выполнить широкий комплекс экспериментальных исследований, по результатам которых решить следующие задачи:

1. В переходных парамагнитных металлах и сплавах изучить поведение носителей тока при одновременном действии на них постоянных электрических и магнитных полей.

2. Выяснить влияние геликоидального магнитного упорядочения на аномальный эффект Холла и магнитосопротивление в ряде тяжелых редкоземельных металлах и сплавах.

3. Исследовать механизм образования высокотемпературного спинового стекла в системе у— Мпва и изучить его свойства.

4. Изучить тонкую структуру перехода фрустрированного антиферромагнетика в спин — стекольное состояние на примере у—МпСа.

5. Исследовать влияние ближнего атомного порядка на неэргодическое поведение у—МпСа.

6. Экспериментально определить комплекс магнитных и электрических свойств фрустрированных двухподрешеточных магнетиков с ферримагнитным типом упорядочения и неколлинеарных антиферромагнетиков с треугольной спиновой конфигурацией, характерной для миктомагнетиков.

7. Провести исследования магнитных, тепловых и гальваномагнитных свойств аморфных сплавов Ре100_хВх с целью выяснения влияния микронеоднородного магнитного состояния на поведение носителей тока.

8. Для макронеоднородных магнитных систем (гранулированные сплавы и композиты) установить основные закономерности в поведении гальваномагнитных эффектов. Научную новизну работы определяют разработанные в диссертации новые подходы и

методы, применение которых в исследованиях позволило впервые получить ряд важных результатов:

• в результате детального анализа закономерностей поведения магнитной восприимчивости, электрического сопротивления и эффекта Холла в переходных парамагнитных металлах и сплавах открыт аномальный эффект Холла. Установлено, что в ланжевеновских парамагнетиках аномальная часть поля Холла всегда отрицательна, в паулиевских парамагнетиках всегда положительна. Аномальный эффект Холла в переходных парамагнитных металлах обусловлен спин — орбитальным взаимодействием при рассеянии носителей тока на примесях и фононах;

• впервые в серии тяжелых редкоземельных металлов и сплавов в области геликоидального магнитного упорядочения предложена методика и осуществлено разделение поля Холла на нормальное и аномальное поле;

• впервые построена магнитная фазовая диаграмма системы Но40ТЬб0 и обнаружен новый фазовый переход в гольмии при 93 К;

• впервые изучены гальвано магнитные свойства антиферромагнитного у —МпСа в области концентраций галлия, близкой к критической для антиферромагнетизма (Мп3Са);

• впервые получено высокотемпературное спиновое стекло с температурой перехода Т8а = 142 °С и объяснена причина его происхождения;

• впервые изучено влияние ближнего атомного порядка разного типа на неэргодическое поведение у—Мп3Са;

• впервые экспериментально определен комплекс магнитных и гальваномагнитных свойств, характерных для фрустрированных двухподрешеточных магнетиков с ферримагнитным типом упорядочения;

• впервые установлено, что магнитное упорядочение любого типа вызывает значительные изменения коэффициента нормального эффекта Холла с инверсией знака и ростом абсолютного значения на три порядка;

• впервые установлено, что эффект Холла и электрическое сопротивление определяются вкладом от двух магнитных подсистем, одна из которых связана с областями ближнего магнитного порядка, другая — с фрустрированными спинами на границах этих областей. Фрустрированная магнитная подсистема является источником сильного рассеяния носителей;

• в микронеоднородных быстрозакаленных сплавах Ре10о-хВх показано, что аморфные сплавы Ре10о-хВх проявляют магнитные свойства, близкие к классическому ферромагнетизму, лишь в сильных магнитных полях. Впервые показано, что в состоянии, возбужденным слабым магнитным полем, сплавы Ре10о-хВх проявляют свойства, типичные для кластерных спиновых стекол с характерными необратимыми явлениями;

• в аморфных сплавах Ре100_хВх не обнаружена корреляция между коэффициентом анома�