WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 7 Спин-стекольное упорядочение аморфных сплавов Tb–Cr © О.В. Стогней, И.В. Золотухин, О. Рапп Воронежский государственный технический университет, 394026 Воронеж, Россия E:mail sto@sci.vrn.ru (Поступила в Редакцию 12 октября 1998 г.) Исследованы аморфные сплавы TbxCr100-x (x = 16; 28.5; 43 и 59 at.%), полученные закалкой из газовой фазы. Обнаружено, что структура сплавов гетерогенна: наблюдается сосуществование двух аморфных фаз, характеризующихся различным ближним порядком. Качественно ближний порядок этих фаз соответствует структуре чистых компонент (Cr или Tb). В области низких температур сплавы переходят в состояние спинового стекла. Установлено, что значения температур перехода в спин-стекольное состояние линейно зависят от состава, возрастая с увеличением содержания тербия. Показано, что магнитные свойства аморфных сплавов Tb–Cr определяются случайной магнитной анизотропией, связанной с атомами Tb.

Известно, что, за исключением гадолиния и европия, лировалась с помощью рентгеноструктурного анализа, тяжелые редкоземельные металлы (РЗМ) и их соедине- который проводился при комнатной температуре непония обладают гигантской магнитной анизотропией [1]. средственно перед исследованием магнитных характериЕсли сплав, содержащий редкоземельный элемент, имеет стик. Съемка производилась по схеме Дебая–Шерра в аморфную структуру, то вследствие атомного беспоряд- монохромном CuK излучении. Состав сплавов опрека распределение локальных электростатических полей, делялся методом электронно-зондового микроанализа с воздействующих на РЗМ ионы, будет случайным. Тогда дисперсией по энергии. Результаты исследований полуи ориентация осей легкой намагниченности РЗМ ионов ченных образцов свидетельствуют о том, что содержание будет также носить случайный характер. Терминологи- аргона в пленках не превышает 1 at.%, следы прочих чески такое состояние определяется как состояние со газов не обнаружены. Исследование магнитных свойств случайной магнитной анизотропией. Теоретически пока- сплавов проводилось на вибрационном магнетометре в температурном интервале 4.2-300 K.

зано [2], что случайная магнитная анизотропия может обусловливать образование магнитоупорядоченной фазы со свойствами спинового стекла в аморфных сплавах 2. Результаты и обсуждение (АС) на основе РЗМ. Исследования аморфных сплавов РЗМ с ферро- и парамагнитными металлами показывают, Для проведения исследований было получено четыре что в таких системах действительно образуются фазы со сплава TbxCr100-x (x = 16; 28.5; 43 и 59 at.%). На свойствами спинового стекла в широких концентрационрис. 1 представлены рентгеновские дифрактограммы, ных интервалах [3,4]. С другой стороны, практически нет подтверждающие наличие аморфной структуры у приданных о сплавах РЗМ с антиферромагнитными металлаготовленных образцов. Очевидно, что в данных сплами. Поэтому в данной работе исследована возможность вах аморфная фаза не является гомогенной, а первый образования магнитоупорядоченной фазы со свойствами пик на дифрактограммах (аморфное гало) представляет спинового стекла в аморфных сплавах Tb–Cr, т. е. в собой суперпозицию двух пиков (двух гало), каждый системе РЗМ-антиферромагнетик, в области составов с из которых является результатом дифракции рентгеновнизкой концентрацией РЗМ компоненты.

ского излучения на разных областях сплава, имеющих ближний порядок, отличающийся друг от друга. Условно можно определить эти области как аморфная фаза AI и 1. Методика эксперимента AII. Известно, что для АС переходных металлов среднее ближайшее межатомное расстояние (Dm) можно оценить Все исследованные сплавы были получены методом по угловому положению гало с помощью простого соотионно-плазменного распыления составных мишеней в ношения.

атмосфере спектрально чистого аргона. Предварительно, до напуска аргона, вакуумная камера откачивалась до Dm =, 2 2 sin давления 6.65 · 10-4 Pa, что обеспечивало отсутствие загрязнения пленок остаточными газами. Осаждение ма- где — длина волны используемого излучения, — териала производилось на алюминиевые подложки, охла- брэгговский угол [5].

жденные до 77 K. Для изготовления мишеней использо- На рис. 2 приведены значения Dm для АС Tb–Cr, вались металлический тербий и хром чистотой 99.8 и а также ближайшие межатомные расстояния в чистых 99.9 ат.% соответственно.

металлах; хроме и тербии. Экстраполяция средних блиПолученные образцы имели толщину 10-12 µm и жайших межатомных расстояний в аморфной фазе AI к размеры 10 20 mm. Аморфность образцов контро- 100 at.% Tb дает значение, совпадающее с наименьшим Спин-стекольное упорядочение аморфных сплавов Tb–Cr Вместе с тем, едва ли можно полагать, что структура сплавов представляет собой некое подобие мелкодисперсной эвтектики, поскольку формирование сплавов происходит в крайне неравновесных условиях и атомы, конденсирующиеся на холодной подложке (77 K), быстро теряют диффузионную подвижность, а с ней и способность образовывать равновесные структуры.

3. Магнитные свойства Исследование намагниченности АС Tb–Cr проводилось в двух стандартных режимах: FC — охлаждение образца во внешнем постоянном магнитном поле до температуры 4.2 K и последующий отогрев его в этом же поле; ZFC — отогрев образца в магнитном поле после охлаждения в нулевом поле. Было установлено, что во всех сплавах в области низких температур имеет место термомагнитный гистерезис (рис. 3), т. е.

зависимость намагниченности образца от условий его охлаждения. Полученные результаты свидетельствуют о том, что в сплавах Tb–Cr осуществляется переход в магнитоупорядоченную фазу со свойствами спинового стекла [7]. Поскольку оба компонента в сплаве являются Рис. 1. Рентгеновские дифрактограммы аморфных сплавов магнитными материалами (т. е. концентрация магнитных Tb–Cr. Цифры на рисунке показывают содержание Tb в атомов составляет 100 at.%), формирующаяся низкотемсплаве (at.%).

пературная фаза является сперомагнетиком [8].

Известно, что в аморфных сплавах образование спинстекольного состояния может быть обусловлено двумя Рис. 2. Концентрационная зависимость среднего ближайшего межатомного расстояния (Dm) в аморфных сплавах Tb–Cr (черные и белые кружки), а также ближайшие межатомные расстояния в чистом кристаллическом Tb и Cr. Прямые линии получены методом линейной регрессии.

межатомным расстоянием в кристаллическом Tb. Точно также и с аморфной фазой AII, значения Dm для которой близки к таковым в кристаллическом хроме.

Данное обстоятельство свидетельствует о том, что, по крайней мере, качественно ближний порядок аморфных фаз соответствует структуре чистых металлов. Этот факт связан, по-видимому, с тем, что взаимная растворимость Рис. 3. Температурная зависимость намагниченности аморфкомпонент крайне низка (так, в равновесных условиях ных сплавов Tb–Cr. Белые символы — ZFC, черные растворимость Tb в Cr не превышает 0.13 at.%) [6].

символы — FC.

Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 1238 О.В. Стогней, И.В. Золотухин, О. Рапп причинами. Во-первых, наличием конкуренции между ферромагнитным и антиферромагнитным упорядочениями. Конкуренция обусловлена флуктуациями обменного взаимодействия (флуктуация знака обменного интеграла) вследствие структурной разупорядоченности сплавов. В основном этот механизм реализуется в АС на основе магнитных 3d-металлов. Во-вторых, случайным распределением осей локальной магнитной анизотропии, что характерно для АС на основе большинства тяжелых редкоземельных металлов.

Сплавы Tb–Cr являются гетерогенными и в них сосуществуют две аморфные фазы AI и AII (рис. 1, 2), это дает основание предполагать, что в каждой фазе доминирует какой-либо один механизм. Очевидно также, что этот механизм определяется как ближним порядком аморфной фазы, так и природой компонента, преобла- Рис. 4. Концентрационная зависимость температуры перехода в сперомагнитное состояние аморфных сплавов Tb–Cr. Прямая дающего в этой аморфной фазе. Таким образом, мы линия получена методом линейной регрессии.

полагаем, что в каждой аморфной фазе (AI или AII) реализуется взаимодействие, соответствующее взаимодействию в чистом компоненте (Tb или Cr). В этой связи следует ответить на вопрос, являются ли макроскопические свойства аморфных сплавов Tb–Cr результатом одновременного действия разных механизмов или же один из механизмов превалирует над другим.

Металлический тербий характеризуется гигантской магнитной анизотропией, которая и определяет его магнитные свойства. В кристаллическом состоянии он является геликоидальным антиферромагнетиком с температурой Нееля (TN) 229 K и переходит в ферромагнитное состояние при 222 K. С другой стороны, тербий с неупорядоченной структурой проявляет свойства спинового стекла с температурой перехода 53 K [9]. Аморфный сплав Tb90Si10 (т. е. сплав максимально близкий по со- Рис. 5. Концентрационная зависимость приведенной удельной намагниченности аморфных сплавов Tb–Cr.

ставу к идеальному аморфному тербию) переходит в состояние со свойствами спинового стекла при 58 K [10].

Таким образом, аморфизация тербия приводит к возникновению сперомагнитного упорядочения магнитных аморфного сплава Tb90Cr10 [10]. Следовательно, как в моментов вместо ферро- или антиферромагнитного, начистом аморфном тербии, так и в аморфных сплавах блюдаемого в ГПУ Tb. Происходит это из-за того, Tb–Cr механизм, упорядочивающий моменты, один и что в аморфном материале межатомные расстояния в тот же — случайная ориентация локальных осей легкой первой координационной сфере, а также само число блинамагниченности. На рис. 5 показана зависимость прижайших соседей меняется случайным образом. Поэтому веденной удельной намагниченности аморфных сплавов случайным образом меняется и электростатическое взаTb–Cr от состава (все значения приведены относительно имодействие 4 f -оболочки с локальным кристаллическим величины намагниченности сплава Tb16Cr84). Значения полем соседних ионов. В результате ориентация локальнамагниченности определялись при 4.2 K после охлажденых осей легкой намагниченности хаотически (или с ния от комнатной температуры во внешнем магнитном некоторой корреляцией) меняется от иона к иону.

поле 300 Oe. В соответствии с этими данными намагниНа рис. 4 приведена концентрационная зависимость ченность сплавов уменьшается с ростом концентрации температуры перехода в магнитоупорядоченную фазу тербия. Этому факту легко дать объяснение только с (Tt) со свойствами спинового стекла. Полученная экспеточки зрения случайной магнитной анизотропии. Известриментальная зависимость строго линейна и этот факт но, что с ростом концентрации редкоземельного металла является существенным доводом в пользу того, что в сплаве происходит увеличение константы случайной во всем исследованном концентрационном интервале магнитной анизотропии [3, 11]. Вследствие этого сидействует единый механизм магнитного упорядочения.

Экстраполяция Tt к 100 at.% Tb дает значения темпе- стема магнитных моментов становится более жестко ратуры перехода равное 52 K. Это значение совпадает ориентированной вдоль осей локальной анизотропии, с 53 K для аморфного тербия [9] и близко к 58 K для она становится менее лабильной и менее подверженФизика твердого тела, 1999, том 41, вып. Спин-стекольное упорядочение аморфных сплавов Tb–Cr ной влиянию внешнего магнитного поля (до известных пределов, конечно, когда поле просто разрушает фазу спинового стекла). Поэтому при прочих равных внешних условиях суммарная намагниченность такого материала должна быть меньше, чем у сплава с более низкой концентрацией РЗМ, поскольку ориентация осей локальной анизотропии случайна. Кроме того, увеличение значений константы случайной магнитной анизотропии должно приводить к росту температуры упорядочения, так как в этом случае необходима большая величина тепловой энергии ( kT ) для разрушения магнитного порядка.

Такая зависимость наблюдается в аморфных сплавах Tb–Cr (рис. 4, 5).

Таким образом, полученные экспериментальные данные объясняются действием только одного механизма, который упорядочивает магнитные моменты сплавов.

Этот механизм обусловлен наличием случайной магнитной анизотропии, связанной с атомами тербия.

В заключение авторы выражают благодарность Шведскому Институту, осуществлявшему частичное финансирование исследований, а также Российской промышленной компании ”АС”, предоставившей металлический тербий.

Список литературы [1] С.А. Никитин. Магнитные свойства редкоземельных металлов и их сплавов. Изд-во МГУ, М. (1989). 248 с.

[2] A. Aharony, E. Pytte. Phys. Rev. Lett. 45, 1583 (1980).

[3] Y. Hattori, K. Fukamichi, K. Suzuki, H. Aruga–Katori, T. Goto.

J. Phys.: Condens. Matter. 7, 4193 (1995).

[4] H. Bouchiat, D. Mailly. J. Appl. Phys. 57, 1, 3453 (1985).

[5] A. Williame, W.L. Johnson. J. Non-Cryst. Solids 34, (1979).

[6] Р.П. Эллиот. Структуры двойных сплавов. Т. 1 Металлургия, М. (1970). 367 с.

[7] K.H. Fisher. Phys. Stat. Sol. (b) 116, 357 (1983).

[8] К.М. Херд. УФН 142, 2, 331 (1984).

[9] J.J. Hauser. Solid State Commun. 55, 163 (1985).

[10] J.J. Hauser. Phys. Rev. 34, 5, 3212 (1986).

[11] A.S. Andrienko, S.A. Nikitin. Yu.I. Spichkin. JMMM 118, (1993).




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.