CC BY
26
УДК 669.866.018:448.7
О ТОЧКАХ МАГНИТНОЙ КОМПЕНСАЦИИ В КВАЗИБИНАРНОЙ
СИСТЕМЕ Yb(Fe1_a,Mna,)2
A.C. Илюшин, И.А. Никанорова, A.B. Цвщ енко*', A.C. Виноградова, М. В. Фомичева, И. В. Спажакин
(.кафедра физики твердого тела) E-mail: iliya@newmail.ru
В результате изучения магнитных свойств сплавов квазибинарной системы Yb(Fei_x Mil¡,.) 2 установлено, что для составов 0 ^ х ^ 0.4 на кривых температурной зависимости намагниченности имеются точки компенсации, положение которых на температурной шкале немонотонно зависит от состава сплава. Показано, что простую двухподрешеточную модель можно использовать при интерпретации магнитных свойств лишь для интерметаллида YbFe2 и для квазибинарных сплавов Yb(Fe 1 Мпа.)-> с малым х ~ 0.1) содержанием марганца. При более высоких концентрациях марганца простая ферримагнитная модель оказывается непригодной для интерпретации экспериментальных результатов.
Интерметаллические соединения редкоземельных металлов с Зс?-переходными стехиометрии КГ2, кристаллизующиеся в структурных типах фаз Лаве-са С14 и С15, образуют обширный класс магнитоупо-рядочивающихся веществ с уникальными физическими свойствами [1-3]. К сожалению, далеко не все редкоземельные фазы Лавеса удается получить традиционными методиками синтеза, так как использование металлургических процессов, протекающих при атмосферном давлении, не позволяет реализовать структурные типы С14 и С15 в сплавах с УЬ, N¡1, Рг и рядом других редкоземельных элементов.
Развитие новых технологий, основанных на совместных воздействиях на вещество высокого давления и высоких температур, позволяет получать полиморфные модификации фаз с нужными атом-но-кристаллическими структурами [4-5].
Для интерметаллических соединений ИТг часто характерно весьма сложное поведение магнитных свойств, приводящее к формированию новых атомно-кристаллических и магнитных структур. Иными становятся и магнитные взаимодействия между И- и Т-подрешетками. Изотипные замещения атомов в И- или в Т-подрешетке сопровождаются изменениями величин ионных магнитных моментов, что существенно влияет на одну из основных магнитных характеристик этих соединений — намагниченность насыщения.
В настоящей работе было предпринято исследование температурной зависимости намагниченности фаз высокого давления в квазибинарной системе Ш^1-хШпх)2. Для этого был осуществлен синтез сплавов, проведен рентгеновский фазовый анализ, определены их атомно-кристаллические структуры и измерены криеталло-етруктурные параметры.
Образцы сплавов квазибинарной системы УЬ(Ре1_яМпя)2 синтезировались при давлении
8 ГПа в камере высокого давления типа «Тороид» в Институте физики высокого давления РАН по методике, описанной в работе [6]. Были приготовлены сплавы следующих составов (по х): 0; 0.1; 0.15; 0.2; 0.3; 0.4; 0.5; 0.55; 0.60; 0.65; 0.70; 0.75; 0.80; 0.85; 0.90; 1.0. Рентгеноетруктурные исследования выполнялись на дифрактометре ДРОН-1.5 при комнатной температуре на фильтрованном Ка излучении от железного анода.
Для измерения намагниченности использовался магнетометр вибрационного типа фирмы «Princeton Applied Research» [7] (чувствительность не менее 5 • Ю-5 э.м.е.). Намагниченность во внешних полях до 0.5 Т измерялась с помощью магнетометра модели 155, изготовленного на основе лабораторного электромагнита, снабженного гелиевым криостатом.
Температурные измерения проводились в интервале 4.2-300 К. Температура определялась с помощью термопары «медь» — «медь-железо».
Рентгеновский фазовый анализ синтезированных образцов системы Yb(Fei_3;Mn;i;)2 показал, что сплавы составов 0 ^ х ^ 0.4 рентгеновски однофазны и изотипны кубической фазе Лавеса типа MgCu2 (С15), в области составов 0.5 ^ х ^ 0.55 — сплавы двухфазны и состоят из смеси кубической и гексагональной фаз Лавеса С14 и С15, а в области концентраций 0.6 ^ х ^ 1 сплавы изотипны гексагональной фазе Лавеса типа MgZn2 (С14). На рис. 1 приведен график концентрационной зависимости объема Vf.u., приходящегося на формульную единицу сплавов системы Yb(Fei_3;Mn;i;)2• Из рисунка видно, что с ростом концентрации марганца в системе от х = 0 до х = 0.4Vf.u. монотонно, но нелинейно возрастает от 47.71 Â3 до 48.57 Â3, а в интервале 0.5 ^ х ^ 0.55 — практически не меняется и остается равным приблизительно 48.6 Â3. Дальнейшее увеличение концентрации марганца
*•' Институт физики высоких давлений РАН, г.Троицк.
О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 л:
Рис. 1. Зависимость объема Ц.и., приходящегося на
формульную единицу, от состава сплавов системы ¥Ь(Ре 1-а, Мпх) 2
от х = 0.7 до х = 1.0 вновь сопровождается монотонным, но нелинейным увеличением 14 и от 49.27 до 50.83 А3.
Известно, что в соединении УЬМпг ион марганца не имеет магнитного момента. Поэтому в системе УЬ(Ре1_яМпя)2 в сплавах промежуточных составов при замещении магнитных ионов железа ионами марганца последние играют роль немагнитного разбавителя и суммарная намагниченность Зс?-подре-шетки должна уменьшаться. Если предположить, что температурная зависимость намагниченности подрешетки УЬ при изменении концентрации Мп меняется мало, то, изучая зависимости намагниченности от температуры и внешнего поля для сплавов промежуточных составов, можно получить данные о магнитном поведении ионов Мп.
В данной работе нами были получены зависимости намагниченности от температуры и внешнего магнитного поля для сплавов системы УЬ(Ре1_яМпя)2 в области концентраций, где формируются фазы, изотипные кубической фазе Лавеса типа С15.
На рис. 2 представлены кривые зависимостей намагниченности от внешнего поля, измеренные при комнатной температуре на сплавах составов х = 0.1; 0.15; 0.2; 0.3; и 0.4. Все они демонстрируют типичный ход кривых с насыщением, причем почти для всех составов с ростом концентрации марганца намагниченность уменьшается за исключением аномалии для состава х = 0.2. Это наглядно демонстрирует график концентрационной зависимости величины магнитного момента М, приходящегося на формульную единицу сплава, измеренного при комнатной температуре во внешнем магнитном поле напряженностью 0.5 Т (рис. 3). Видно, что в ходе кривой М(х) имеется аномалия типа положительной А-точки при ж = 0.2.
Х - 0.2
0.2 О.З
В, Тл
Рис. 2. Зависимость намагниченности Р сплавов системы УЬ(Ре1_1Мпа:)2 от внешнего поля В при комнатной температуре
К- Ив
,!
I \ < \ ' \
1.6
1.2 0.8 0.4 0
< >
Р.
\1
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
X
Рис. 3. Концентрационная зависимость магнитного момента М{.и., приходящегося на формульную единицу сплавов системы УЬ(Ре1_1 Мпх) 2 , во внешнем поле напряженностью 0.5 Т
Более существенные аномалии демонстрируют кривые температурных зависимостей намагниченности для сплавов составов 0 ^ х ^ 0.4. Так, для интерметаллида УЬЕег при охлаждении образца от температуры 300 К до 36 К магнитный момент, приходящийся на формульную единицу, монотонно, но достаточно резко уменьшается от 1.65цв практически до нуля (рис. 4). Дальнейшее охлаждение сопровождается возрастанием М почти до 0.42цв при 4.2 К (следует отметить, что при последующем нагревании точка «зануления» магнитного момента смещается в сторону более высоких температур и реализуется при температуре 33 К). Аналогичные измерения, выполненные на сплавах промежуточных
в
Рис. 4. Температурная зависимость магнитного момента М{ и , приходящегося на формульную единицу сплава
УЬРе2
составов с (х = 0.1; 0.15; 0.2; 0.3 и 0.4), дают кривые с аналогичными температурными зависимостями и точками компенсации. Однако положение самих точек компенсации на температурной шкале сложным образом зависит от состава сплавов.
Анализ экспериментальных данных магнитных измерений показал, что само наличие точек компенсации свидетельствует о ферримагнитном упорядочении подрешеток УЬ и Зс?-металла. Уменьшение суммарной намагниченности сплавов с ростом концентрации Мп позволяет считать, что ионы Мп в сплавах системы УЬ^ех-^МП;,;^ в области концентраций 0 ^ х ^ 0.4 преимущественно выступают в роли немагнитной примеси, разбавляющей магнитную Зс1-подрешетку.
Нейтронографические исследования УЬЕег, проведенные в работе [8] на поликристаллических образцах при температурах 5, 80, 300 и 630 К, подтвердили ферримагнитную модель упорядочения и позволили определить величину магнитных моментов ионов УЬ и Ее. Соответствующие данные из работы [9] приведены в таблице.
Магнитные моменты ¥Ь и Ре в соединении УЬРез при различных температурах и профильный фактор расходимости П.
[Лв т, к
5 80 300
Муъ 3.6 2.2 1.3
Мре 1.5 1.5 1.5
М = Муъ ~ 2Мре 0.6 0.8 1.7
Я, % 7.2 6.3 6.4
Из этих данных видно, что в температурном интервале от 5 до 300 К магнитный момент ионов железа постоянен и равен 1.5¿¿в, тогда как магнит-
ный момент ионов иттербия монотонно уменьшается от 3.6 до 1.3цв- При 5 К величина магнитного момента ионов иттербия близка к его значению для свободного трехвалентного иона:
А1уь3+ = 9iJ^J^ вВ области низких температур при 5 К магнитный момент интерметаллида УЬЕег, определенный по нейтронографическим данным, оказался равным 0.6¿¿в, а соответствующая величина, рассчитанная по полевым зависимостям намагниченности при 4.2 К, составила 0.7цв- Эти значения хорошо согласуются между собой, что также свидетельствует в пользу ферримагнитной модели упорядочения для Я- и М-подрешеток.
Оценки величин магнитных моментов , приходящихся на формульную единицу сплавов системы УЬ(Ре1_яМпя)2 при 300 К, были проведены с использованием данных, полученных в [10], и предположения, что ионы Мп являются немагнитным разбавителем в подрешетке Ее. Сопоставление этих оценок с данными эксперимента показало достаточно хорошее согласие общего хода кривых концентрационных зависимостей величин магнитных моментов. Однако график, построенный на основе сделанных оценок, не имел каких-либо аномалий, в то время как на экспериментальной кривой такая аномалия наблюдается при х = 0.2.
В описанном выше приближении были также оценены значения точек компенсации и проведено их сравнение с экспериментом. Здесь согласие можно увидеть лишь в начальной части графика (0 ^ х ^ 0.15), а затем расхождение двух кривых с ростом концентрации марганца усиливается. При этом следует обратить внимание на то, что если график оценочной концентрационной зависимости ^сотр(ж) имеет вид параболы, то для экспериментальной кривой Тсотр(ж) скорее характерна зависимость типа положительной А-кривой.
Из проведенного анализа следует, что при изотип-ном замещении в Зс1-подрешетке ионов Ёе ионами Мп, последние не могут рассматриваться только как немагнитный разбавитель. Вся совокупность экспериментальных данных указывает на то, что в М-подрешетке возникают сложные магнитные взаимодействия, которые в свою очередь приводят к формированию в сплавах квазибинарной системы УЬ(Ре1_яМпя)2 магнитной структуры не ферримаг-нитного, а более сложного типа. Результаты меееба-уэровских исследований сплавов свидетельствуют о том, что при введении ионов Мп в Зс1-подрешетку в ней формируются области с различными локальными окружениями ионов Ее, в результате чего возникают различные сверхтонкие поля на ядрах Ее. При этом было установлено, что величина сверхтонкого эффективного поля //„ на ядрах Ее практически линейно уменьшается с увеличением числа ионов Мп в ближайшем окружении ионов Ее. При малых концентрациях (ж~0.1) влияние Мп на характер
магнитных взаимодействий мало и его можно рассматривать как немагнитный разбавитель. При более высоком содержании Мп в Зс1-подрешетке наряду с простым разбавлением происходит заметное изменение величин магнитных моментов у ионов Ее, находящихся в различных локальных окружениях, и, как следствие, изменение характера магнитных взаимодействий. Это обстоятельство делает простую ферримагнитную модель неприемлемой для анализа концентрационной зависимости точек компенсации.
Литература
1. Тейлор К. Интерметаллические соединения редкоземельных металлов. М., 1974.
2. Теслюк М.Ю. Металлические соединения со структурой фаз Лавеса. М., 1969.
3. Илюшин A.C. Введение в структурную физику редкоземельных интерметаллических соединений. М., 1991.
4. Свенсон К.С. Физика высоких давлений. М., 1963.
5. Стронг Г. Высокотемпературные методы при высоких давлениях. М., 1964.
6. Khvostantsev L.G., Vereshchagin L.F., Noisikois A.P. // High temp.-high press. 1977. 9. P. 637.
7. Foner S. Ц Rev. Sei. Instr. 1959. 30, N 7. P. 548.
8. Meyer C., Hartman-Boutron F., Cros Y. et. al. // J. Physigue. 1979. 40. P. 5.
9. Цвященко A.B., Алиханов P.A., Смирнов Л.С. и др. // ФТТ. 1986. 28, №9. С. 2832.
10. Inoue К., Nakamura Y., Tsvyashchenko А. V., Fomicheva L. H J. Magn. and Magn. Materials. 1995. 140. P. 797.
Поступила в редакцию 10.09.03
