научная статья по теме РАЗРУШЕНИЕ АНТИФЕРРОМАГНЕТИЗМА В ИНТЕРМЕТАЛЛИДЕ СЕ 2FЕ 17 ПРИ РАДИАЦИОННОЙ АМОРФИЗАЦИИ Физика

Текст научной статьи на тему «РАЗРУШЕНИЕ АНТИФЕРРОМАГНЕТИЗМА В ИНТЕРМЕТАЛЛИДЕ СЕ 2FЕ 17 ПРИ РАДИАЦИОННОЙ АМОРФИЗАЦИИ»

ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2004, том 97, № 1, с. 36-39

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ _

И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА

УДК 669.1'855:539.12.043:537.622.5

РАЗРУШЕНИЕ АНТИФЕРРОМАГНЕТИЗМА В ИНТЕРМЕТАЛЛИДЕ Се2Ре17 ПРИ РАДИАЦИОННОЙ АМОРФИЗАЦИИ

© 2004 г. Ю. Г. Чукалкин, В. И. Воронин, А. Е. Карькин, А. Г. Кучин, И. Ф. Бергер, Б. Н. Гощицкий

Институт физики металлов УрО РАН, 620219 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18 Поступила в редакцию 02.06.2003 г.

Дифракционными (рентген, нейтроны) и магнитными методами исследовали поликристаллические образцы Се2Ре17 до и после облучения флюенсом быстрых нейтронов 1.5 х 1024 м . Установлено, что облучение приводит к полной аморфизации исследуемого интерметаллида. Показано, что наблюдаемое радиационно-индуцированное структурное превращение разрушает спиральный антиферромагнетизм, существующий в интервале температур (95-210) К в исходном кристаллическом состоянии, и повышает температуру Кюри до ~170 К. Основной причиной наблюдаемого изменения магнитного состояния является разрушение антиферромагнитных связей в результате увеличения среднего расстояния между атомами железа при аморфизации.

ВВЕДЕНИЕ

Магнитное состояние интерметаллического соединения Ce2Fe17 интенсивно исследуется на протяжении ряда лет (см., например, обзор в [1]). Особенности магнитного состояния Ce2Fe17 в значительной степени обусловлены сильной конкуренцией положительных и отрицательных обменных взаимодействий между атомами Fe, локализованными в различных кристаллографических позициях. Знак и величина этих взаимодействий определяются межатомными расстояниями Fe-Fe и количеством атомов Fe-ближайших соседей. В рамках модели локализованных моментов принято считать [2], что зависимость обменного взаимодействия Fe-Fe от расстояния между атомами (г) носит критический характер: при г < 2.5 А обмен отрицателен и положителен при г > 2.5 А. Межатомные расстояния в Ce2Fe17 близки к критическим. При низких температурах Ce2Fe17 является ферромагнетиком; при температуре 95 К ферромагнитное упорядочение трансформируется в антиферромагнитное спиральное с температурой Нееля (TN) 210 К. Ферро-антиферромагнитный переход сопровождается заметным уменьшением периодов кристаллической решетки [1]. Уменьшение межатомных расстояний путем приложения к образцу Ce2Fe17 гидростатического давления более 3 кбар при низких температурах также вызывает ферро-антиферромагнитное превращение [1]. Расширение кристаллической решетки путем легирования алюминием приводит к исчезновению антиферромагнетизма и увеличению температуры Кюри (T) [3]. С другой стороны, легирование кремнием вызывает сжатие решетки, однако Tc при этом также увеличивается [4]. Можно пред-

полагать, что влияние легирования не сводится только к изменению межатомных расстояний, но и вызывает, по-видимому, перестройку электронной структуры Се2Бе17. Попытка объяснения эффекта возрастания Тс при легировании с этих позиций была предпринята в работе [5] на примере У2Бе17.

В такой ситуации целесообразно использовать облучение быстрыми нейтронами как метод воздействия на структурное состояние. В результате радиационного разупорядочения или аморфизации, которые являются типичными при облучении быстрыми нейтронами поликомпонентных сплавов или соединений [6], изменяются межатомные расстояния и ближайшее атомное окружение. Исходный химический состав при таком воздействии сохраняется.

Поскольку поликристаллические образцы Се2Бе17, приготовленные различными авторами, могут существенно отличаться по своим магнитным характеристикам [1], мы для исследований использовали образец, аттестованный в работе [7]. Там же приведены условия синтеза. Образцы Се2Бе17 облучали флюенсом 1.5 х 1024 м-2 быстрых (Е > 1 МэВ) нейтронов при температуре не выше 340 К в герметичных ампулах в водной полости исследовательского ядерного реактора ИВВ-2М. При таком флюенсе, как показывает опыт [6], весь объем облучаемого образца неоднократно подвергнут воздействию каскадов атом-атомных смещений, вызванных первично выбитыми быстрыми нейтронами атомами. Поэтому можно ожидать, что облученный образец будет структурно однороден. Структурные исследования до и после облучения были выполнены при комнатной температуре на мультидетекторном

Интенсивность х 10

40

(a)

| a-Fe

30 -

20

10

10 5 0

- (б) }

1 1 1 1 1

20

40

60

80

100 26, град

Рис. 1. Нейтронограммы интерметаллида Се2ре^ при комнатной температуре:

а - до облучения; б - после облучения флюенсом 1.5 х 1024 м-2, стрелками указаны угловые положения рефлексов примесного а-железа.

0

нейтронном дифрактометре Д7а (длина волны X = 1.515 А) и рентгеновском дифрактометре ДРОН-УМ1 с использованием Си^а-излучения. Начальную магнитную восприимчивость измеряли мостом взаимной индуктивности промышленного производства на частоте 1 кГц в интервале температур (4.2-300) К.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 приведены картины нейтронной дифракции Ce2Fe17 до и после облучения. Аналогичный вид имеют и рентгенограммы. Видно, что облучение приводит к радикальным изменениям структуры исследуемого интерметаллида. Резкие дифракционные пики, характерные для кристаллического состояния Ce2Fe17, полностью исчезают. На дифракционной картине облученного образца присутствуют лишь диффузные максимумы, типичные для аморфного состояния и слабые пики примесного (~5%) a-Fe, содержащегося в исходном образце. Поскольку при нейтронографи-ческих исследованиях в процессах рассеяния участвует весь объем образца, то на основании рис. 16 можно утверждать, что в данном случае амор-физация имеет объемный характер. Основываясь

на предшествующем опыте [6], можно предполагать, что локальная атомная структура (структурные корреляции) аморфного Се2Ее17 , полученного таким радиационным способом, будет близка к исходной разупорядоченной (с "серым" атомом) кристаллической. Действительно, проведенные нами предварительные расчеты показали, что экспериментально наблюдаемый структурный фактор аморфного состояния (рис. 16) удовлетворительно описывается в рамках этой структурной модели.

На рис. 2 приведены температурные зависимости магнитной восприимчивости Се2Ее17 до и после облучения. В исходном состоянии резкое падение магнитной восприимчивости в районе 95 К соответствует температуре Кюри и переходу, согласно нейтронографическим данным [1, 8], в антиферромагнитное состояние. Переход антиферромагнетик - парамагнетик в районе 210 К сопровождается небольшим максимумом восприимчивости. Из рисунка следует, что радиационная аморфиза-ция разрушает антиферромагнетизм и повышает температуру Кюри до 170 К. Возникает естественный вопрос: в чем причина столь радикального изменения магнитного состояния?

Рассмотрим структурное состояние исследуемого интерметаллида до и после облучения. Ис-

38

ЧУКАЛКИН и др.

Рис. 2. Температурные зависимости начальной магнитной восприимчивости интерметаллида Се2ре^: О - до облучения; • - после облучения флюенсом 1.5 х 1024 м-2; стрелками указаны местоположения температур Кюри и Нееля.

ходное соединение Се2Ре17 имеет структуру типа ТИ22и17 (пространственная группа Я-3е). Атомы железа локализованы в четырех неэквивалентных позициях с координатами: 6с (0; 0; г), (1/2; 0; 1/2), 18/(х; 0; 0), 18й (х; -х; г). Методика определения координат атомов на основе данных нейтронной дифракции достаточно полно изложена в работе [7]. Зная координаты атомов и периоды кристаллической решетки, можно рассчитать все межатомные расстояния. Результаты таких расчетов приведены в таблице.

Как видно из таблицы, в каждой из подреше-ток локализованы атомы, взаимодействующие антиферромагнитно с теми или иными ближайшими соседями. Именно наличие антиферромагнитных связей понижает температуру Кюри и приводит к возникновению дальнего антиферромагнитного порядка в определенном интервале температур. Заметим, что расстояния, рассчитанные из наших структурных данных и приведенных в работе [8], практически совпадают.

Кратчайшие расстояния (в ангстремах) между атомами железа, локализованными в различных кристаллографических позициях Се2ре17, при комнатной температуре

Позиции 6с 9d 18/ 18h

6с 2.39 (2.38) 2.60 (2.60) 2.74 (2.74) 2.64 (2.63)

9d 2.60 (2.60) 4.25 (4.26) 2.43 (2.43) 2.45 (2.44)

18/ 2.74 (2.74) 2.43 (2.43) 2.47 (2.46) 2.55 (2.55)

18h 2.64 (2.63) 2.45 (2.44) 2.56 (2.55) 2.49 (2.50)

Примечание. Расстояния рассчитаны на основе наших структурных данных и из работы [8] (в скобках). Выделены расстояния, соответствующие антиферромагнитному взаимодействию между атомами.

Для аморфного Ce2Fe17 можно оценить кратчайшее межатомное расстояние, воспользовавшись данными, приведенными на рис. 16. Согласно [9], положение диффузных максимумов на дифракционной картине аморфного твердого тела определяется последовательностью максимумов функции sin(qr)/qr (q - модуль вектора рассеяния), т.е. корнями уравнения tg( qr) = qr, равными 7.73; 14.06; 20.46, ... Исходя из местоположения первого максимума, мы нашли, что r = 2.51(1) А для нейтронной и 2.52(1) А для рентгеновской дифракции соответственно. Строго говоря, приведенные выше оценки являются точными для одно-компонентного аморфного твердого тела и являются приближенными для поликомпонентного.

Таким образом, аморфизация приводит к ликвидации кратчайших (r < 2.5 А) межатомных расстояний, характерных для кристаллического состояния, и ответственных за антиферромагнетизм. Однако кратчайшие расстояния в аморфном состоянии близки к критическим, что и объясняет, по-видимому, относительно небольшое (по сравнению с легированием) увеличение температуры Кюри.

Заметим, что дальний антиферромагнитный порядок, по-видимому, невозможен в аморфном твердом теле. Причина не только в отсутствии, как минимум, двух подрешеток, необходимых для точной компенсации магнитного момента, но и в возникновении фрустраций отрицательных обменных взаимодействий, неизбежных в таких топологически разупорядоченных системах. Опыт показывает [6], что, например, в аморфных оксидах с сильным отрицательным обменом реализуется не антиферромагнитное, а спин-стекольное магнитное состояние. В аморфном Ce2Fe17, пол

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