ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2004, том 97, № 3, с. 24-32
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ _
И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
УДК 669.794'74'782:537.622.4'5
МАГНИТНОЕ СОСТОЯНИЕ СОЕДИНЕНИЙ У(Мпх _ хУх)2812 И Ьа(Мпх - хУх)2812(0 < х < 0.4)
© 2004 г. Е. Г. Герасимов*, Ю. А. Дорофеев*, Дж.-Г. Пак**' ***, А. Н. Пирогов *' **, В. С. Гавико*, В. А. Казанцев*, А. Е. Теплых*
*Институт физики металлов УрО РАН, 620219 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18 **Физический факультет и Институт фундаментальных исследований, Сан Кун Кван Университет, 440-746 Сувон, Корея *** Исследовательский Центр сильнокореллированных материалов, Сеульский Национальный Университет, 151-742 Сеул, Корея Поступила в редакцию 01.07.2003 г.
С использованием магнитной нейтронографии, магнитных измерений и измерений коэффициента теплового расширения исследованы магнитные свойства и магнитная структура квазитройных слоистых интерметаллических соединений У(Мп1 _ хУх)2812 и Ьа(Мп1 _ хУх)2812 (0 < х < 0.4). С ростом концентрации ванадия, параметр решетки а практически не изменяется, а параметр с и объем элементарной ячейки соединений монотонно возрастают. В соединениях Ьа(Мп1 _ хУх)2Б12 с увеличением концентрации ванадия происходит ослабление внутрислойных ферромагнитных Мп-Мп обменных взаимодействий, приводящее к увеличению угла раствора угловой ферромагнитной структуры. В соединениях У(Мп1 - хУх)2312 с увеличением концентрации ванадия молекулярное поле межслой-ных Мп-Мп обменных взаимодействий не изменяется, несмотря на увеличение межслойного расстояния и уменьшение внутрислойных Мп-Мп обменных взаимодействий, что может рассматриваться как новый аргумент в пользу того, что межслойные Мп-Мп обменные взаимодействия в соединениях типа ЯМп2Х2 определяются расстоянием между атомами марганца внутри слоя.
1. ВВЕДЕНИЕ
Соединения ЯМ2Х2 (Я - редкоземельный металл, М - 3^(4^)-переходный металл, X - или ве) кристаллизуются в тетрагональной решетке типа тисг2812 (пространственная группа 14/шшш), в которой атомы одного сорта расположены в последовательно чередующихся атомных плоскостях (слоях). Атомы Я и X металлов занимают позиции 2(а) - (0, 0, 0) и 4(е) - (0, 0, г) с г - 0.38 соответственно. Атомы переходных металлов располагаются в позициях 4(й) - (1/2, 0, 3/4) [1]. Одна из особенностей магнитных свойств соединений ЯМ2Х2 заключается в том, что только в случае М = Мп атом 3^-переходного металла обладает отличным от нуля магнитным моментом. Атомы хрома, железа, кобальта и никеля не имеют локального магнитного момента в соединениях ЯМ2Х2 и все соединения ЯМ2Х2 с немагнитными редкоземельными атомами (Я = У, Ьа, Ьи) являются парамагнетиками Паули. Аналогичная ситуация наблюдается и во многих родственных тройных интерметаллических соединениях с естественной слоистой кристаллической структурой [1]. Предполагается, что в соединениях ЯМ2Х2 происходит сильная гибридизация электронных 3^-состояний атомов переходных металлов и р(з) состояний Х-металлов, приводящая к полному заполнению 3^-зоны переходных метал-
лов [1, 2]. В качестве возможной причины того, что только атомы Мп обладают магнитным моментом в соединениях ЯМ2Х2 можно рассматривать тот факт, что в ряду магнитных переходных металлов группы железа (Мп(3^54я2), Ёе(3^64£2), Со(3^74я2), №(3й?Ч52)) атомы Мп обладают наименее заполненной 3^-оболочкой. Сильная гибридизация электронных 3^-состояний атомов переходных металлов и р(я)-состояний Х-металлов рассматривается и как одна из возможных причин необычной зависимости межслойного Мп-Мп обменного взаимодействия от параметров кристаллической решетки. Величина и знак межслойного Мп-Мп обменного взаимодействия сильно зависят от расстояния между атомами Мп внутри слоя ^Мп-Мп и практически не зависят от расстояния между слоями [1]. Существует некоторое критическое расстояние йкр между ближайшими атомами Мп внутри слоя, составляющее величину порядка 0.285-0.287 нм при комнатной температуре. В соединениях ЯМ2Х2 с йМп-Мп < йкр магнитные моменты Мп в соседних слоях упорядочены анти-ферромагнитно, а в соединениях с йМп-Мп > йкр -ферромагнитно. Внутри слоев обычно наблюдается коллинеарное или угловое ферромагнитное упорядочение магнитных моментов марганца.
Как было предложено в работе [3], одним из способов влияния на степень заполнения 3^-зоны
переходных металлов в соединениях RM2X2 может служить частичное замещение атомов Fe, Co, Ni атомами 3^-переходных металлов, имеющими наименее заполненную 3^-оболочку. В частности, такое замещение может приводить к появлению локализованного магнитного момента на атомах железа при промежуточных концентрациях замещающего элемента в соединениях La(Fex _xVx№ [3] и tf(Fex _xCrx^ [4]. Другого типа замещения в соединениях не приводят к изменению магнитного состояния Fe, Co и Ni. Атомы железа проявляют диамагнитные свойства даже при их частичном замещении марганцем в твердых растворах типа R(Mnx _ xFex)2Ge2 [5, 6].
В данной работе мы исследовали влияние степени заполнения 3^-зоны на магнитное состояние атомов Mn - единственного 3^-металла, обладающего ненулевым магнитным моментом в соединениях RM2X2. С этой целью в работе исследованы магнитные свойства и магнитная структура квазитройных соединений Y(Mnx - xVx)2Si2 с dMn-Mn < йкр и La(Mnx - xVx)2Si2 c dMn-Mn > d^ в области концентраций x, допускающих существование твердых растворов.
2. ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
Соединения La(Mnx - xVx^Si2 Y(Mnx -xVx)2Si2 с (x = 0, 0.05, 0.1, 0.15, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6) получены индукционным сплавлением исходных компонент в среде аргона с последующим гомогенизирующим отжигом в вакууме при температуре T = 1173 K в течение одной недели.
Проведенный рентгеноструктурный фазовый анализ показал, что все основные рефлексы для соединений с x < 0.4 описываются в рамках тетрагональной кристаллической структуры типа ThCr2Si2 (пространственная группа l4/mmm). Однофазные сплавы с x > 0.4 нам получить не удалось. По-видимому, предел растворимости ванадия в твердых растворах La(Mn1 - xVx)2Si2, Y(Mn1 - xV*^ находится в области концентраций 0.4 < x < 0.6. Исследования магнитных свойств и магнитной структуры проводились на соединениях с 0 < x < 0.4.
Магнитные измерения проводили на порошках, ориентированных во внешнем магнитном поле H = 15 кЭ, в эпоксидной смоле при комнатной температуре. Для соединений La(Mn1 - xVx)2Si2, согласно данным рентгеноструктурного анализа, направление текстуры в образцах совпадало с направлением с-оси. Для соединений Y(Mn1 - xVx)2Si2, частицы порошка ориентировались таким образом, что с-ось для каждой частицы располагалась в плоскости, перпендикулярной направлению внешнего магнитного поля - "плоскости" с-осей. Магнитные измерения проводили в диапазоне температур 2 < < T< 400 K в магнитном поле H < 50 кЭ, используя сквид-магнитометр MPMSR5-XL (Quantum Design).
Измерения коэффициента теплового расширения соединений У(Мщ _ ХУХ)2812 (х = 0, 0.1, 0.2, 0.3) проводили в температурном интервале 300-600 К в динамическом режиме со скоростью около 1 град/мин, используя кварцевый дилатометр фирмы "иЬУАК-МКО" (Япония).
Нейтронографические исследования проводили при температурах 4.2 и 295 К на дифрактомет-ре ДЗ с длиной волны X = 0.2423 нм, установленном на одном из горизонтальных каналов реактора ИВВ-2М (г. Заречный). Количественную обработку нейтронограмм проводили с использованием программы полнопрофильного анализа "Ри11рго1" [7].
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
3.1. Параметры кристаллической решетки соединений У(Мпх _ ¿У*)^^ и Ьа(Мп1 _ ¿У*)^^. Замещение атомов Мп атомами V, имеющими больший атомный радиус, приводит к монотонному увеличению объема элементарной ячейки соединений У(Мп1 - xVx)2Si2 и Ьа(Мп1 - xVx)2Si2 (рис. 1). Однако изменение параметров решетки соединений с ростом концентрации ванадия имеет ярко выраженный анизотропный характер. В области концентраций ванадия x < 0.4 увеличение объема элементарной ячейки соединений происходит преимущественно вследствие увеличения параметра с, при практически неизменной величине параметра а (рис. 1). Такое же необычное анизотропное изменение параметров кристаллической решетки наблюдалось нами ранее в соединениях Ьа(Бе1 - Л)^^ с x < 0.4 (рис. 1) [3] и, по-видимому, является характерным для квазитройных соединений типа ДМ1 - ^^Х^ В отличие от соединений Ьа(Бе1 - Л)^^, в соединениях У(Мп1 - и Ьа(Мп1 - ^^ растворимость ванадия оказывается меньше и не наблюдается резкого изменения параметра а, связанного с изменением магнитного состояния 3^-металла.
3.2. Магнитные свойства и магнитная структура соединений Ьа(Мп1 _ ¿У^)2812. Нейтронограм-мы соединений Ьа(Мп1 - ^^^^ измеренные при Т = 4.2 К, представлены на рис. 2. Все они имеют одинаковый вид, за исключением соединений с x = 0.3 и x = 0.4, где видны рефлексы от примесных фаз. Исходное тройное соединение ЬаМп^2 при температуре Т = 4.2 К обладает неколлинеарной (угловой) магнитной структурой (рис. 3). Проекции магнитного момента атомов марганца ^ в базисной плоскости упорядочены антиферромагнитно, и на нейтронограмме имеют набор магнитных рефлексов: (101), (103), (105), (211) и (213). Проекции магнитного момента марганца на с-ось || упорядочены ферромагнитно, и на нейтронограмме имеют набор магнитных рефлексов: (110), (112), (200), (114), (202). Все магнитные рефлексы накладываются на ядерные. Численные результаты расчетов нейтронограмм соединений Ьа(Мп1 - xVx)2Si2 с разным содержанием ванадия приведены в табл. 1.
а, нм 0.416 -
0.414 - ЬаСМп^У*^ 0.412^-
0.388 0.412
0.410 0.408 0.406^ 0.404
с, нм 1.070
1.065 Ь
ГЕРАСИМОВ и др. Ьа(Мп1_,У,)2812
1.060
У(МП1_,У,)2812 1.07
V, нм3 0.182
Ьа(Мп1 I 1 - хУх)28*2 | 1
- о/
У(Мп1- хУх)28*2
ЬаСБе^ лУл)2812
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
х
Рис. 1. Концентрационные зависимости параметров кристаллической решетки соединений У(Мп1 _ хУх)2812, Ьа(Мп1 _ хУх№ и Ьа(Бе1 _ хУх№
Из расчетов нейтронограмм следует, что тип магнитной структуры и значение полного магнитного момента марганца /Мп в квазитройных соединениях Ьа(Мп1 _ хУх)2812 практически не изменяются с ростом концентрации ванадия. Полученные
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.