научная статья по теме О ВЛИЯНИИ ВЕЛИЧИНЫ ОБМЕННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В “ГАНТЕЛЬНОЙ” ПОЗИЦИИ НА ТЕМПЕРАТУРУ КЮРИ В РОМБОЭДРИЧЕСКОЙ ФАЗЕ GD2FE17 Физика

Текст научной статьи на тему «О ВЛИЯНИИ ВЕЛИЧИНЫ ОБМЕННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В “ГАНТЕЛЬНОЙ” ПОЗИЦИИ НА ТЕМПЕРАТУРУ КЮРИ В РОМБОЭДРИЧЕСКОЙ ФАЗЕ GD2FE17»

ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2015, том 116, № 5, с. 462-466

^ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА

УДК 537.611.44

О ВЛИЯНИИ ВЕЛИЧИНЫ ОБМЕННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В "ГАНТЕЛЬНОЙ" ПОЗИЦИИ НА ТЕМПЕРАТУРУ КЮРИ В РОМБОЭДРИЧЕСКОЙ ФАЗЕ Gd2Fe17

© 2015 г. М. В. Медведев, И. А. Некрасов

Институт электрофизики УрО РАН, 620016 Екатеринбург, ул. Амундсена, 106

e-mail: nekrasov@iep.uran.ru Поступила в редакцию 15.09.2014 г.

Одной из важных задач улучшения магнитных свойств технологически перспективных интерметал-лидов с высоким содержанием железа R2Fei7 (R — редкоземельный элемент) является повышение температуры Кюри Тс. Существует гипотеза, что можно заметно повысить Тс в таких сплавах за счет синтеза систем с парами атомов, связанных сильным обменным взаимодействием, как, например, пара атомов железа в так называемой "гантельной" позиции в системах типа R2Fei7. В настоящей работе на примере ромбоэдрической фазы Gd2Fei7 в рамках модели Гайзенберга для классических спинов показано, что изменение величины обменного взаимодействия для димерной пары атомов Fe—Fe в "гантельной" позиции от нулевого до бесконечно большого приводит к изменению Тс не более чем, на 10%. Таким образом, создание ферромагнитных систем с димерами магнитных атомов, связанных сильным короткодействующим обменом, которые при этом не образуют бесконечный магнитный кластер, не может радикально увеличить температуру Кюри Тс.

Ключевые слова: ферромагнетик, интерметаллид Gd2Fei7, димер, температура Кюри. DOI: 10.7868/S0015323015050125

1. ВВЕДЕНИЕ

Интерметаллиды с высоким содержанием железа Я2Бе17, где Я — редкоземельный элемент, представляют интерес как с теоретической, так и практической точки зрения. Технологически данные системы являются перспективными материалами для создания относительно недорогих постоянных магнитов. Теоретически же в данных соединениях весьма привлекательным является исследование конкуренции различных обменных механизмов, обеспечивающих магнетизм [1, 2]. Однако, несмотря на относительно большие величины магнитных моментов, системы Я2Бе17 обладают сравнительно низким значением температуры Кюри Тс ~ 400 К [1], что затрудняет практическое применение таких систем. За последние годы достаточно большой прогресс был достигнут в поиске путей увеличения Тс в Я2Бе17. Экспериментально было показано, что повысить Тс удается при замещении атомов Бе в Я2Бе17 как магнитными, так и немагнитными атомами [3—6]. Также повысить температуру Кюри удается при внедрении в Я2Бе17 атомов легких элементов (типа Н, С и N [7—11]. Есть ряд экспериментальных работ, в которых исследованы оба описанных выше способа повышения Тс [12]. В обоих предложенных случаях удается повысить Тс до ~700 К.

Достаточно распространенной среди экспериментаторов является идея создания в магнитных материалах с большим числом магнитных ионов в элементарной ячейке обменных пар с максимально близким расположением магнитных ионов, у которых величина обменного взаимодействия будет в 2—3 раза выше, чем в остальных парах. Именно за счет создания таких выделенных, сильно связанных обменных пар планируется повысить температуру Кюри [1].

Типичным примером таких сложных магнитных систем с выделенными обменными парами с сильной связью являются интерметаллиды Я2Бе17, в которых атомы железа в так называемых "гантельных" позициях (позиции Викхофа 4/ для гексагональной структуры ТЪ2№17-типа и 6с для ромбоэдрической структуры ТЪ^п17-типа [13] рисунок) находятся на очень близком расстоянии порядка 2.4 А. Для Оё2Ре17 показано, что обменные взаимодействия в "гантельной" позиции порядка 250 К, что в 3 раза больше других имеющихся обменных взаимодействий [14]. Отметим также, что "гантельные" Бе—Бе пары пространственно достаточно хорошо отделены друг от друга в Оё2Ре17 и не образуют бесконечный кластер магнитных атомов, связанных друг с другом сильным обменным взаимодействием.

О ВЛИЯНИИ ВЕЛИЧИНЫ

463

Gd 6с Fe 9d Fe 18h Fe 18/ Fe 6с

%

'О • %

VV1;

o*

®o

•VV. v

;ißfGd 2d/2b

Fe 6g e Fe 12k Fe 12j Fe 4/

Ромбоэдрическая (Th2Znl7-типа) и гексагональная (^2№17-типа) кристаллические структуры Gd2Fej7.

В данной работе рассмотрено влияние величины обменного взаимодействия в "гантельной" позиции на величину Тс на примере ромбоэдрической фазы Gd2Fe17. Теоретическая оценка величины температуры Кюри проводилась в рамках приближения среднего поля для модели Гайзен-берга с обменными интегралами [15], рассчитанными в LSDA + U методе [16]. На основании модельных расчетов показано, что изменение величины обменного взаимодействия для пары Fe—Fe в "гантельной" позиции от нулевого значения до бесконечной величины приводит к изменению величины Тс не более, чем на 10% в ромбоэдрической фазе Gd2Fe17. Таким образом, создание такого рода сложных магнитных систем с выделенными, связанными сильным обменом парами магнитных ионов вряд ли позволит существенно увеличить величину Тс.

2. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В ромбоэдрической фазе Gd2Fe17 имеется 17 магнитных атомов Fe в элементарной магнитной ячейке. Данные атомы занимают 4 неэквива-

лентные кристаллографические позиции. Таким образом, атомы железа в неэквивалентных позициях будут иметь различное магнитное окружение и соответственно различные наборы параметров обмена с ближайшими магнитными соседями. Для ромбоэдрической структуры Тh2Zn17-типа имеется 2 атома класса Fe1 с позицией Викхофа 6с ("гантельные" позиции), 3 атома класса Fe2 (9^), 6 атомов класса Fe4 (18/) и 6 атомов класса Fe4 (18й) (см. рисунок слева).

Величины магнитных моментов, полученные в LSDA + и расчете [14], слегка отличаются друг от друга для разных классов: цм = 2.19 цв, ц№2 = = 2.26 цв, ц^ = 2.17 цв и ц№4 = 2.31 цв. Параметры обменного взаимодействия между парами атомов железа различных классов для первой координационной сферы, полученные в LSDA + и расчете [16], представлены в таблице.

Согласно работе [14], наибольшим является обменное взаимодействие /11(1) = 287.5 К между атомами железа в "гантельной" позиции, находящимися на расстоянии г11 = 2.385 А друг от друга. Второй по величине обменный интеграл /44(1) =

Параметры обменного взаимодействия /у в ромбоэдрической фазе Gd2Fel7 для различных пар атомов железа в первой координационной сфере из работы [14]

N /j (К) Расстояние (А) Число соседей Пара

1 /п(1) = 287.5 rn(1) = 2.385 ¿11(1) = 1 Fe1-Fe1

2 /44(1) = 182.2 r44(1) = 2.490 ¿44(1) = 2 Fe4-Fe4

3 /34(1) = 125.9 r43(1) = 2.551 ¿34(1) = ¿43(1) = 2 Fe3-Fe4

4 /24(1) = 121.0 Г24(1) = 2.448 ¿24(1) = 4, ¿42(1) = 2 Fe2-Fe4

5 /34(2) = 105.7 r34(2) = 2.613 ¿34(2) = ¿43(2) = 2 Fe3-Fe4

6 /14(1) = 88.2 r14(1) = 2.639 ¿14(1) = 3, ¿41(1) = 1 Fe1-Fe4

7 /23(1) = 87.1 r23(1) = 2.423 ¿23(1) = 4, ¿32(1) = 2 Fe3-Fe2

8 /12(1) = 83.6 Г12(1) = 2.602 ¿12(1) = 3, ¿21(1) = 2 Fe1-Fe2

9 /13(1) = 74.1 гхэ(1) = 2.740 ¿13(1) = 6, ¿31(1) = 2 Fe1-Fe3

10 /зз(1) = -36.5 r33(1) = 2.466 ¿33(1) = 2 Fe3-Fe3

464

МЕДВЕДЕВ, НЕКРАСОВ

= 182.2 К связывает атомы класса Бе4 на расстоянии г44(1) = 2.490 А.

Поскольку величины всех возможных обменных взаимодействий в первой координационной сфере для атомов железа известны, то температура Кюри может быть достаточно просто рассчитана в рамках приближения среднего поля для модели Гайзенберга. Введем эффективную величину классического спинового вектора для разных подреше-ток Б. = цРе(/)/2цв(/ = 1, 2, 3, 4). Далее запишем самосогласованную систему уравнений для

средней величины ^-компоненты спина ш. = ( 5)

щ = sß f ВД,

' ' V rJ

(1)

где к. — поле Вейсса, действующее на ближайшие спины Б.. Затем линеаризуем правую часть уравнений (1) за счет разложения функции Ланжевена в пределе Т ^ Тс, тогда

Ш: =

S _h_.

3 kBTC

(2)

С учетом ромбоэдрической симметрии кристаллической структуры Оё2Ре17, можно вывести систему линейных уравнений для ш. которые позволят вычислить Тс:

S2

Ш1 = ßc -1 [ /и (1) zn (1) ШХ + /12( 1 )z12 (1) Ш2 +

+ АзС 1)Z13( 1 )Шз + /14( 1)Z14( 1 )Ш4 ]; S2

Ш2 = ßc у2 [/21 (1)Z21 (1) Ш1 + /23 (1)Z23 ( 1) Ш2 + + /зз( 1) Z33 (1) Шз ];

S2

Шз = ßc3 [/31 (1)Z31 (1)Ш1 + /32(1)Z32( 1)Ш2 +

(3)

+ /33 (1) Z33 (1) Шз + (/34 (1 )Z34 (1) + /34 ( 2 )Z34 ( 2 )) Ш4 ];

S2

Ш4 = ßC3 [/41(1 )Z41(1 )Ш1 + /42(1 )Z42( 1)Ш2 + + (/43(1 )Z43( 1) + /43(1 )Z43( 1))Ш3 + /44(1 )Z44(1 )Ш4 ] .

Здесь ßc = —1—, Ij(l) — соответствующие обменов rc

ные интегралы между ионами кристаллографических классов, Fe/ и Fe/ с числом ближайших соседей Zy на расстоянии /1) (см. таблицу). Заметим, что для таких сложных структур Zy(1) Ф Zy,(1), однако nz,y = nz/, где üi — число атомов сорта Fe/ в элементарной магнитной ячейке.

Как было ранее показано в работе [14], система уравнений (3) дает значение Тс = 429 K для ром-

боэдрической фазы Оё2Бе17, что несколько меньше экспериментального значения 475 К [13]. Данное отличие вызвано отсутствием учета обменных взаимодействий между Бе(3^)- и Оё(4/)-стояниями. Также учет взаимодействий с атомами второй координационной сферы должен привести к небольшому увеличению Тс [14]. Тем не менее данный результат показывает, что первая координационная сфера 3^-инов Бе практически полностью определяет значение Тс. Поэтому оценим влияние изменения величины обменного взаимодействия атомов в "гантельной" позиции /11(1) на величину Тс.

Для начала положим величину /11(1) равной нулю. Тогда из системы уравнений (3) можно найти величину Тс(/11(1) = 0) = 414 К, что всего лишь на 3.5% меньше теоретической оценки с конечным значением /11(1), полученной в работе [14].

Теперь проанализируем случай аномально сильной обменной связи /11(1) > /¡,-(1) между магнитными атомами Бе1 в "гантельной" позиции, когда их можно рассматривать как магнитный ди-мер, встроенный в элементарную магнитную ячейку. Для этого используем идею работы [17], в которой было высказано следующее соображение. Если в спиновой системе существует очень резкое различие в величинах обменных взаимодействий, то сильное обменное взаимодействие надо учитывать точно, тогда как более слабые (меньшие на порядок величины) обменные взаимодействия достаточно учитывать в приближении среднего поля. Применение лишь простой теории сре

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»