ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2015, том 116, № 8, с. 811-817
^ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ^^^^^^^^^^^^
И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
УДК 537.622.6
МАГНИТОКРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ АНИЗОТРОПИЯ СОЕДИНЕНИЙ Er^Fe!- ,УД)17
© 2015 г. П. Б. Терентьев, Н. В. Мушников, Е. Г. Герасимов, В. С. Гавико, Л. А. Сташкова
Институт физики металлов УрО РАН, 620137Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18
e-mail: terentev@imp.uran.ru Поступила в редакцию 11.12.2014 г.; в окончательном варианте — 03.01.2015 г.
Исследованы магнитные свойства и магнитная анизотропия соединений Er2(Fe1 _ xVx)17 (х = 0 — 0.05). Обнаружено, что температура Кюри ТС соединений возрастает с ростом концентрации ванадия. Показано, что соединения Er2(Fe1 _ xVx)17 имеют анизотропию типа легкая плоскость в интервале температур от 77 K до ТС. Измерены кривые намагничивания и рассчитаны температурные зависимости констант анизотропии К и К2. Произведено разделение вкладов от магнитных подрешеток Er и Fe в константы магнитной анизотропии. Анализ полученных данных позволил заключить, что причиной существования процессов намагничивания 1-го рода в Er2Fe17 при низких температурах является положительный вклад в К1 и отрицательный в К2 от подрешетки Er.
Ключевые слова: магнитные фазовые переходы, магнитная анизотропия, редкоземельные интерме-таллиды.
БОТ: 10.7868/8001532301508015Х
ВВЕДЕНИЕ
Богатые железом соединения Я2Ре17 (Я—редкоземельный металл) обладают большими магнитными моментами, но вследствие невысокой температуры Кюри и плоскостной магнитной анизотропии они не могут быть использованы в качестве материалов для постоянных магнитов [1]. Недавно было показано, что эти соединения обладают значительным магнетокалорическим эффектом при комнатной температуре [2, 3]. Обычно магнетока-лорический эффект максимален вблизи магнитного фазового перехода "порядок—беспорядок" [4]. В соединении Ег2Бе17 с температурой Кюри Тс = = 300 К адиабатическое изменение температуры составляет 3.5 Дж/(кг К) в магнитном поле 5 Тл [5]. При замещении части железа в Я2Бе17 другими атомами может происходить изменение температуры Кюри и переход к анизотропии типа "легкая ось" [6, 7]. Это представляет интерес с точки зрения оптимизации магнитных и магнитотепловых свойств интерметаллидов. Ранее при исследовании магнитных свойств соединений Я2(Бе1 _ ХУХ)17 (Я = 8ш, У) нами было установлено, что легирование ванадием приводит к увеличению температуры Кюри и уменьшению магнитного момента и слабо влияет на магнитную анизотропию [8]. В данной работе мы изучили влияние частичного замещения железа ванадием на структуру, магнитный момент, температуру Кюри и магнитную анизотропию соединений Ег2(Ре1-хУх)17. С использованием
литературных данных о магнитной анизотропии соединения У2Бе17, в котором атомы У не обладают магнитным моментом, определены вклады в магнитную анизотропию соединений Ег2(Ре1-хУх)17 от подрешеток Ег и Бе.
ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Сплавы номинального состава Ег2(Бе1-ХУХ)17 (х = 0; 0.01; 0.02; 0.03; 0.04; 0.05) получены индукционной плавкой в атмосфере аргона. Рентгенографически было установлено, что после гомогенизирующего отжига продолжительностью 7 сут при температуре 1050°С все соединения Ег2(Ре1-хУх)17 обладали гексагональной структурой типа ТЬ2№17. Помимо основной гексагональной фазы, в сплавах присутствовала кубическая фаза типа Мп23ТЪ6, содержание которой составляло не более 2—7%. Концентрационная зависимость температуры Кюри определена из кривых температурной зависимости магнитной восприимчивости в переменном синусоидально изменяющемся магнитном поле с амплитудой 100 А/м и частотой 80 Гц. Измерения кривых намагничивания проведены индукционным методом в импульсных магнитных полях до 25 Тл в интервале температур 77—300 К на порошковых образцах, ориентированных во вращающемся магнитном поле и закрепленных эпоксидным клеем. При этом для об-
(а)
V, нм3
0.848 0.844 V
■— . _ -
a а- "ÍT"
и— -о
0.840 -
0.836 - с
—
0.832 -
0.828 i i i
1.54 1.53 1.52 1.51 1.50
Te, K
400
360 320
(б)
0.02
X
0.04
0.06
Рис. 1. Концентрационные зависимости параметров и объема решетки (а) и температуры Кюри (б) для соединений Ег2(Ре1 _ хУх)п-
разцов с анизотропиеи типа легкая плоскость кристаллографические оси [001], которые являются направлениями трудного намагничивания, ориентируются вдоль оси вращения перпендикулярно приложенному полю. Константы магнитной анизотропии определены методом компьютерного моделирования процессов намагничивания одноосных кристаллов.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1а приведены зависимости параметров решетки соединений Ег2(Бе1 _ хУх)17 от концентрации ванадия х. С ростом х в данных соединениях наблюдается небольшое увеличение параметра с и уменьшение параметра а. При этом объем элементарной ячейки остается практически неизменным. При х > 0.05 параметры решетки уже практически не зависят от концентрации ванадия. Это позволяет предположить, что концентрация ванадия х ~ 0.06 близка к пределу растворимости ванадия в соединениях Ег2(Бе1 _хУх)17. Аналогичное значение предела растворимости ванадия в подре-шетке железа было определено ранее [8] для систем 8т2(Бе1 _ х^х) 17 и ^(Ре1 - х^х)17.
Несмотря на постоянство объема решетки, замещение железа на ванадий приводит к усилению
обменных взаимодействий. Как видно из рис. 1б, температура Кюри ТС возрастает от 308 K для х = 0 до 411 K для х = 0.06. Зависимость Te(x) стремится к "насыщению" при х = 0.06, что также может быть связано с тем, что эта концентрация ванадия близка к пределу растворимости ванадия в соединениях.
Увеличение температуры Кюри соединений ^2(Fe1 —хТх)17 при частичном замещении железа атомами других металлов (Т) также наблюдается для соединений с T = Al, Ga, Si, Ti, Ta [6,7]. Увеличение ТС обычно связывают с изменением Fe-Fe межатомных расстояний в гантельных позициях 6с структуры Th2Ni17, в которых наблюдается преимущественное замещение железа на V [7]. Это приводит к изменению баланса между отрицательными и положительными обменными взаимодействиями, так как в этих позициях наблюдаются наименьшие межатомные расстояния между ионами железа. Увеличение Fe-Fe расстояний в гантелях и уменьшение количества Fe в гантельных позициях 6с при легировании соединения Er2Fe17 ванадием приводит к уменьшению отрицательных обменных взаимодействий и, в результате, к увеличению ТС [7].
Для соединений Er2(Fe1 — xVx)17 были измерены кривые намагничивания на ориентированных поликристаллических образцах при различных x и различных температурах при приложении магнитного поля вдоль трудного направления намагничивания. Эти кривые представлены на рис. 2. Как видно из рисунка, при низких температурах на кривых намагничивания бинарного соединения Er2Fe17 наблюдается аномалия, характерная для процессов намагничивания 1-го рода (First order magnetization process, FOMP) [9]. Такие фазовые переходы 1-го рода при намагничивании кристаллов вдоль трудного направления возникают вследствие конкуренции различных вкладов в магнито-кристаллическую анизотропию. В простейшем случае, допускающем существование FOMP, свободная энергия ферромагнетика Е в магнитном поле должна быть представлена в виде разложения по углам 9 отклонения вектора спонтанной намагниченности Ms от оси [001] с учетом как минимум первых двух констант анизотропии:
E = K^in2 0 + K2 sin4 0- MsHcos 0, (1)
где K1 и K2 — константы магнитокристаллической анизотропии. Кривые намагничивания могут быть рассчитаны из условия минимума свободной энергии (1). Как было показано в [10], при соотношении между константами:
K1 > 0, K2 < 0, 6|K2| > K1,
K1 < 0, K2 < 0, 4|K2| > |K1|, (2)
на расчетной кривой намагничивания возникает участок с отрицательным наклоном, который со-
a, с, нм
0
M, А м2/кг
M, А м2/кг
80 60 40 20
0 2 M, А м2/кг 80
60
68 цН, Тл
40
20
77 k 100 k 120 k 160 k
200 k 240 k 280 k 300 k
0 2 4 6
ц0Н, Тл
Рис. 2. Кривые намагничивания соединений Е^Бе! _ ренные в направлении трудного намагничивания.
80 60 40 20
er2(fe0.98v0.02)17
77 k
- fj/ / jf f 100 k
120 k
— 160 k
— 200 k
240 k
280 k
г i i 300 k i i
02 M, А м2/кг
80
60
40
20
68 Ц0Н, Тл
0 2 4 6
цН, Тл
xVx) 17 для x = 0, 0.02, 0.04 и 0.06 при разных температурах, изме-
ответствует нестабильному состоянию. В этом случае намагниченность скачком переходит в состояние насыщения. Для анизотропии типа легкая плоскость критическое поле перехода составляет [11, 12]
Ha = -L \(-2K1 - 4K2) + 4K2mo3 ], Ms L J
где
m0 = ■
3
4 + f '2 - 1
(3)
(4)
римагнетиками, в которых намагниченности подрешеток Fe и Er направлены антипараллель-но. Суммарный магнитный момент соединений направлен вдоль магнитного момента подрешет-ки Fe, так как он почти в два раза превосходит по
Как видно из рис. 2, БОМР при низких температурах сохраняется и в соединениях с ванадием. Критическое поле фазового перехода при 77 К, определенное из максимума производной dM/dH, монотонно уменьшается с ростом концентрации ванадия от 4.6 Тл для бинарного состава до 1.8 Тл для состава с х = 0.06.
Зависимость спонтанного магнитного момента М8 в пересчете на формульную единицу от концентрации У при 77 К для сплавов Ег2(Бе1 -ХУХ)17 показана на рис. 3. Эти соединения являются фер-
Ms, Цв/Ф. ед. 18
16
Ц0#а, Тл 5
14
12 -
0 0.02 0.04 0.06
X
Рис. 3. Концентрационные зависимости спонтанной намагниченности М8 и поля анизотропии На для соединений Ег2(Ре1 _ ХУХ) 17 при 77 К.
4
4
4
3
2
K1, МДж/м3
1 0 -1 -2
Рис. 4. Концентрационные зависимости константы
анизотропии К1 для соединений Е^(Бе1 _ хУх)17,
КБе для соединений У2(Бе1 _ хУх)17 и КЕг = К1 _ К^15
при 77 К.
величине магнитный момент подрешетки Ег. Поскольку атомы Бе замещаются немагнитными атомами V, магнитный момент подрешетки Бе и соответственно суммарный магнитный момент соединений при таком замещении уменьшается.
Во всех исследованных соединениях Ег2(Бе1 _ хУ^)17 при замещении Бе ванадием сохраняется анизотропия типа легкая плоскость. Из измерений кривых намагничивания мы выполнили расчет констант анизотропии вт
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.