1. Обзор литературы

1.1. Структура и магнитные свойства соединений r-Со

Диаграммы состояния сплавов редкоземельных металлов с кобальтом характеризуются большим количеством интерметаллических соединений [6]. Большинство соединений R-Со образуются в результате перитектической реакции (RCo₅, R₂Co₇, RCo₃, RCo₂, R₉Co₄) или конгруэнтно (R₃Co, R₂Co₁₇). Наиболее хорошо изученными являются соединения RCo₅ и R₂Co₁₇, поскольку они представляют наибольший интерес для постоянных магнитов.

Кристаллическая структура RCo₅ относится к гексагональному типу CaCu₅ пространственной группы P6/mmm (рис. 1а) [7]. Она состоит из двух типов плоскостей, чередующихся вдоль с-оси. В одной из них атомы кобальта выстраиваются в гексагональную сетку, в центрах которой находятся атомы РЗМ, в другой расположены только атомы кобальта, образующие менее плотно упакованную сетку Кагоме. Сдвигом атомных слоев и небольшим перемещением атомов из структуры CaCu₅ можно получить все кристаллические структуры, встречающиеся в системах R-Со (рис. 1б–в).

Рис. 1. Основные типы кристаллических структур соединений RCo [9]

Кристаллические структуры большинства соединений RСо хорошо аттестованы [7]. Параметр решетки с всех рассмотренных структур приблизительно кратен параметру с решетки RCo₅, а параметр а близок к параметру а структуры RCo₅, кроме структуры R₂Co₁₇, для которой а в раз больше. Параметры решеток для одного и того же типа соединений уменьшаются по мере увеличения номера РЗМ вследствие уменьшения при этом ионного радиуса РЗМ (закон лантаноидного сжатия).

Большинство соединений R-Со являются коллинеарными ферро и ферримагнетиками [1, 3]. Их магнитная структура состоит из двух электронных подсистем (подрешеток), образованных магнитными электронами 3d- и 4f-электрон­ных оболочек ионов кобальта и РЗМ существенно различных по своим свойствам. Для атомов РЗМ характерно расположение 4f-оболочек ниже заполненных 5s- и 5p-оболочек, которые в значительной мере экранируют 4f-электроны от внешних воздействий [1].

Характер магнитного упорядочения в соединениях R-Со определяется тремя типами обменных взаимодействий: R–R, R–Со и Со–Со.

Наиболее слабым является R–R взаимодействие, поскольку оно является косвенным и осуществляется через электроны проводимости. Наиболее сильным является Со–Со обменное взаимодействие. Обычно полагают, что в соединениях RСо это взаимодействие прямое, как в чистых металлах группы железа. Природа обменных взаимодействий R–Со еще более сложна, поскольку в них принимают участие два типа ионов с локализованными и делокализованными магнитными электронами. Экспериментально установлено, что R-Со взаимодействие приводит к антипараллельному выстраиванию результирующих спиновых моментов редкоземельной и кобальтовой подрешеток. В соответствии с правилом Хунда [1] при заполнении электронной оболочки атомов легких РЗМ полный магнитный момент J равен разности орбитального L и спинового S моментов: J = L – S, а для тяжелых РЗМ, наоборот: J = L + S. Поэтому, для соединений RСо с легкими РЗМ результирующие моменты подрешеток параллельны между собой (ферромагнитное упорядочение), с тяжелыми РЗМ – антипараллельны (ферримагнитное упорядочение).

Экспериментально установлено, что соединения R-Со обладают чрезвычайно высокой магнитокристаллической анизотропией. Для монокристаллов SmCo5 при комнатной температуре получены гигантские значения константы анизотропии К₁ = 1,93∙10⁸ эрг∙см³ и поля анизотропии Н_А = 440 кЭ [8].