научная статья по теме ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИНТЕРМЕТАЛЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ RNI5 (R = Y, LA, CE) Физика

Текст научной статьи на тему «ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИНТЕРМЕТАЛЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ RNI5 (R = Y, LA, CE)»

ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2007, том 102, № 3, с. 454-458

СПЕКТРОСКОПИЯ ^^^^^^^^^^

КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ

УДК 535.34

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИНТЕРМЕТАЛЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

RNi5 (R = Y, La, Ce)

© 2007 г. Ю. В. Князев, Ю. И. Кузьмин, А. Г. Кучин

Институт физики металлов Уральского отделения РАН, 620041 Екатеринбург, Россия

E-mail: knyazev@imp.uran.ru Поступила в редакцию 08.08.2006 г.

Эллипсометрическим методом изучены оптические свойства парамагнитных интерметаллических соединений RN15 (R = Y, La, Ce). Измерения дисперсии показателя преломления n и коэффициента поглощения к выполнены в спектральном интервале 0.083-5.64 эВ при комнатной температуре. Проанализировано поведение энергетической зависимости оптической межзонной проводимости. Полученные результаты обсуждены на основе имеющихся сведений об электронной структуре этих соединений. Определены плазменные и релаксационные частоты электронов проводимости.

PACS: 78.20.Ci

ВВЕДЕНИЕ

По комплексу физико-химических свойств интерметаллические соединения редкоземельных элементов R (РЗМ) с никелем привлекают повышенный интерес благодаря перспективам их практического использования, главным образом, как материалов с высокой способностью к аккумулированию водорода. Соединения RNi5 отличаются большим разнообразием магнитных свойств, что связано с влиянием косвенных обменных взаимодействий, а также с проявлением сильных эффектов кристаллического поля на редкоземельных ионах. Эти свойства существенно варьируют в зависимости от порядкового номера РЗМ и при замещении никеля атомами других металлов [1-3]. Данные соединения кристаллизуются в гексагональную структуру типа СаСи5 (пространственная группа Р6/ттт). Теоретическими исследованиями [4-11] установлено, что главные особенности электронного энергетического спектра Е(к) этих интерметаллидов вблизи уровня Ферми ЕР связаны с системой 3^-зон атомов №. Значения 4/-вкладов в плотность электронных состояний и их локализация относительно Ер, согласно расчетам, зависят от типа РЗМ и существенно изменяются вдоль серии. Ряд исследований указывает на влияние некоторых особенностей энергетической структуры вблизи Ер на электронные, магнитные и термодинамические свойства данных соединений. Необходимо отметить, что экспериментальных доказательств, подтверждающих справедливость зонных вычислений для указанных веществ, недостаточно. Имеются сведения о магнитной восприимчивости и электронной теплоемкости соединений никеля с иттрием, церием и лантаном [3, 12-14],

из которых следует, что плотность электронных состояний на уровне Ферми невысока. В работах [12, 14] изучались фотоэмиссионные спектры LaNi5 и сделана попытка их анализа на основе вычислений энергетического спектра.

Известно, что достоверные сведения об особенностях Е(к) металлов и сплавов могут быть получены также из спектроскопических исследований. Структура энергетических зон, участвующих в формировании оптического поглощения, отражается в дисперсионной зависимости межзонной проводимости на соответствующих частотах. В настоящей работе впервые изучены оптические свойства соединений RNi5 ^ = Y, La, Се) и проанализирована частотная зависимость оптической проводимости. Данные о межзонном поглощении обсуждаются на основе опубликованных моделей электронно-энергетических спектров.

ЭКСПЕРИМЕНТ

Исследуемые образцы были приготовлены в индукционной печи в тигле из оксида алюминия в атмосфере чистого аргона. Для получения однофазного состояния со структурой типа СаСи5, что подтверждалось данными рентгеноструктурных исследований, проводился гомогенизирующий отжиг при 1100°С в течение восьми часов с последующей закалкой в воде. Полученные параметры кристаллических решеток соединений RNi5 согласуются с данными предыдущих исследований [15]. Зеркальные поверхности образцов приготовлены механическим полированием на алмазных пастах различной дисперсности. Измерения показателей преломления п и поглощения к выполнены при комнатной температуре поляримет-

Рис. 1. Оптические постоянные п (1) и к (2) и действительная часть комплексной диэлектрической проницаемости е^

интерметаллических соединений YNi5 (а, б), LaNi5 (в, г) и Се№з (д, е).

рическим методом Битти в спектральной области 0.22-15 мкм (0.083-5.64 эВ) при углах падения света в интервале 71°-80°. Погрешность измерений составляла 2-3%, увеличиваясь на краю длинноволнового диапазона до 5%. По значениям п и к рассчитаны действительная е1 = п2 - к2 и мнимая е2 = 2пк = 4па/ш части комплексной диэлектрической проницаемости (ш - циклическая частота световой волны, а - оптическая проводимость).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Оптические постоянные п и к соединений У№5, Ьа№5 и Се№5 представлены на рис. 1а, 1в, 1д в зависимости от энергии световых квантов. Обращает внимание в целом сходный характер дисперсии этих величин с ярко выраженными максимумами в интервале 1-2 эВ и ростом в инфракрасном диапазоне спектра при йш < 0.5 эВ. Численные значения мнимой части диэлектрической проницаемости (рис. 16, 1г, 1е) с ростом энергии постепенно приближаются к нулю, а с уменьшением частоты света наблюдается тенденция изменения е1 в сторону отрицательных значений, что характерно для типичного металлического поведения и свидетельствует о преобладающем вкладе свободных носителей заряда в оптическое поглощение.

Спектры оптической проводимости а(ш) исследуемых соединений, рассчитанные по значениям п и к, представлены на рис. 2. Видно, что для

Рис. 2. Спектры оптической проводимости соединений YNi5 (1), LaNi5 (2) и Се№5 (3).

всех трех сплавов монотонный спад Друде в низкоэнергетической области спектра сменяется широкой полосой квантового поглощения с резким энергетическим порогом. Дисперсионная зависимость а(ш) указывает на то, что межзонный механизм поглощения света при йш > 0.7 эВ является доминирующим. Спектральный профиль наблюдаемой полосы, обусловленной межзонными переходами электронов, для соединений У№5 и LaNi5 почти идентичен. Он характеризуется тремя максимумами, локализованными при близких энергиях и имеющими практически одинаковую интенсивность. Энергетическая зависимость оптической проводимости Се№5 несколько отличается и включает в себя два максимума, интенсивность которых почти на 20% выше, чем в других соединениях. Для указанных интерметаллидов имеются расчеты зонных спектров, на базе которых возможна качественная интерпретация их оптических свойств.

Проанализируем далее природу оптического поглощения соединений с учетом строения их энергетических зон. С этой целью выделим межзонную часть оптической проводимости амз(ш) = = а(ш) - аД(ш), где аД(ш) = О2у/4л(ш2 + у2) - вклад Друде, соответствующий внутризонному механизму возбуждения электронов. Параметры у =

= е2ш/е1 и О,2 = ш2( е2 + е^), представляющие соответственно релаксационную (аддитивно учитывающую все виды столкновений) и плазменную частоты электронов проводимости, определялись в инфракрасном интервале спектра, где отсутствует их частотная зависимость. Эти величины стабилизируются в интервале 10-15 мкм при следующих значениях: у = 1.5 х 1014 с-1, О2 = 42 х 1030 с-2 (У№5); у = 1.6 х 1014 с-1, О2 = 38 х 1030 с-2 (ЬэМ5); у = 1.4 х 1014 с-1, О2 = 35 х 1030 с-2 (Се№5). Выделенные таким способом межзонные вклады амз(ш) представлены на рис. 3.

На этом рисунке в относительных единицах приведены также спектры оптической проводимости, полученные из опубликованных плотностей электронных состояний Ы(Е) исследуемых соединений (показаны на вставках). Расчет, выполненный на основе свертки плотностей состояний выше и ниже энергии Ферми по формуле, приведенной в работе [16], позволяет качественно оценить суммарный вклад всех прямых и непрямых (с участием фононов) межзонных переходов в оптическую проводимость при условии их равной вероятности. Эти зависимости взяты нами за основу при обсуждении экспериментальных данных.

Соединение УИ15

Представленная на рис. 3 а экспериментальная зависимость межзонной оптической проводимости У№5 характеризуется максимумами А, В и С, локализованными соответственно при энергиях 1.2, 1.9 и 3.4 эВ. Электронная структура этого соединения вычислена самосогласованным методом LMTO в работах [4, 8]. Установлено, что плоские энергетические зоны ниже уровня Ферми образованы состояниями 3d атомов №, а выше ЕР доминируют 4d-зоны иттрия, парциальная плотность состояний которых существенно ниже. В энергетической зависимости оптической проводимости, вычисленной нами на основе данных [4], соответствие двух особенностей с экспериментом (пики В и С) достаточно хорошее. Следуя результатам расчета [4], можно заключить, что за формирование пика поглощения А ответственны переходы между гибридизованными 3d-зона-ми №, а за появление максимума С - переходы из 3d-зоны № в 4d-зону У. В образование пика В оба упомянутых типа переходов вносят примерно равноценный вклад. Однако сравнение экспериментальной и теоретической кривых амз(ш) показывает также значительное (~0.3 эВ) расхождение в локализации низкоэнергетической структурной особенности (максимум А), что указывает на необходимость определенной корректировки полученной в [4, 8] модели зонного спектра У№5, особенно параметров, характеризующих энергетические зоны вблизи Ер.

Соединение ЬаИ15

По данным теоретического расчета [8] основные особенности электронного спектра соединений LaNi5 и У№5 при энергиях ниже уровня Ферми, связанные с 3d-зонами №, почти совпадают. В работах [5, 7, 12] при вычислениях Ы(Е) для LaNi5 были определены также парциальные вклады от состояний 4f атомов La. Следует отметить существенные различия в энергиях локализации 4/-зо-ны, полученные в этих расчетах. Известно, что оценка энергетического положения уровней 4f в РЗМ и их соединениях в зонной теории затруднена из-за большой зависимости результатов расчета от выбора кристаллического потенциала. Для интерметаллида LaNi5 эта проблема также не решена: 4/-зона в соответствии с данными [5, 12] расположена вблизи 3 эВ, а согласно вычислениям [7] - почти на 5 эВ выше Ер.

Дисперсионные зависимости межзонной оптической проводимости соединений, представленные на рис. 3а, 36, в ст

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