![](/user_photo/2706_HbeT2.jpg)
- •Установление электронной структуры
- •Заполнение электронных оболочек
- •Векторная модель атома
- •Магнитный момент свободного атома
- •Правила Хунда
- •Электронная конфигурация редкоземельных металлов
- •Типы кристаллических структур чистых редкоземельных металлов
- •Магнитные структуры
- •Магнитокристаллическая анизотропия и магнитострикция
- •Теория геликоидальной спиновой структуры
- •Магнитоупругие свойства РЗМ
- •Магнитокристаллическая анизотропия в гексагональном кристалле.
- •Природа магнитокристаллической анизотропии в РЗМ
- •Элементы теории магнитокристаллической анизотропии по механизму кристаллического поля
- •Температурная зависимость Ms, klm, λlm
- •Применение чистых РЗМ в качестве магнитов
- •Интерметаллические соединения.
- •Кристаллические структуры
- •Соединения РЗМ-3d
- •Методы измерения магнитострикции
- •Магнитострикция соединений 4f-3d-переходный металл
- •Влияние атомов внедрения на магнитные свойства интерметаллидов 4f-3d-переходный металл
- •Механизм влияния атомов внедрения на магнитные свойства материалов
- •Постоянные магниты
- •Основные характеристики магнитотвердого материала
- •Материалы для постоянных магнитов
- •Примеры развития технических устройств, связанного с развитием постоянных магнитов
- •Перспективы дальнейшего развития магнитотвердых материалов
![](/html/2706/35/html_WkBjLZJVNu.3SyN/htmlconvd-vIEjRN17x1.jpg)
линейно зависит от температуры. Вблизи температуры Θ1 фазового перехода ферромагнетикантиферромагнетик критическое поле меньше, чем вблизи Θ2. Магнитное поле выступает вторым внешним параметром фазового перехода по отношению к системе спинов.
В таблице 8 приведены значения температур магнитных фазовых переходов, разность температур и максимальные критические поля тяжелых РЗМ.
Таблица 8:
Элемент |
Θ1, К |
Θ2, К |
Θ1-Θ2, К |
(Hc)max, кЭ |
|
|
|
|
|
Dy |
85 |
179 |
94 |
11 |
|
|
|
|
|
Ho |
20 |
133 |
113 |
18 |
|
|
|
|
|
Er |
20 |
85 |
65 |
18 |
|
|
|
|
|
Tm |
22 |
60 |
38 |
>15 |
|
|
|
|
|
Tb |
219 |
230 |
11 |
0,2 |
|
|
|
|
|
Магнитокристаллическая анизотропия и магнитострикция
Исследователи, первыми начавшие изучать РЗМ, обнаружили, что поликристаллы этих металлов очень тяжело намагничиваются. После получения монокристаллов выяснилось, что у многих таких металлов наблюдается гигантская кристаллическая анизотропия. Осью легкого намагничивания в тербии является ось b, в диспрозии — ось a. В обоих металлах ось c является осью трудного намагничивания. Принятые обозначения кристаллографических осей приведены на рисунке 13.
a b
Рисунок 13:
На рисунке 14 приведены кривые намагничивания монокристалла тербия при температуре T=4,2 К.
17
![](/html/2706/35/html_WkBjLZJVNu.3SyN/htmlconvd-vIEjRN18x1.jpg)
Рисунок 14:
Из рисунка видно, что величина удельной намагниченности тербия составляет 325 Гс*см3/г. Столь высокая величина намагниченности объясняется тем, что магнитный момент атома тербия – 10 магнетонов Бора, тогда как у железа всего 2,2. Вдоль оси a поле технического насыщения примерно 40 кЭ. Вдоль с-оси наблюдается гигантская магнитокристаллическая анизотропия. В поле 70 кЭ достигается примерно 20% от величины спонтанной намагниченности. Экстраполяцией кривой была определена напряженность магнитного поле, при которой наблюдается техническое насыщение, которая составила 500 кЭ. Таких стационарных полей практически ни у кого нет до сих пор. Только короткодействующий импульс поля может достигать таких величин. Такие любопытные свойства выявились у редкоземельных металлов примерно в 60-е гг прошлого века. Из такого рода измерений были определены константы магнитокристаллической анизотропии. В таблице 9 приведены константы K1 тяжелых РЗМ и кобальта.
Таблица 9:
Металл |
K1, эрг/см3 |
Металл |
K1, эрг/см3 |
Tb |
-5,6*108 |
Er |
+1,8*108 |
Dy |
-5,5*108 |
Gd |
+6*105 |
Ho |
-1,45*108 |
Co |
+4,12*106 |
Знак «-» означает, что ось легкого намагничивания лежит в базисной плоскости. Интересно отметить, что у гадолиния K1~105, то есть примерно на 3 порядка меньше, чем у остальных тяжелых редкоземельных металлов. Для сравнения также приведена информация для кобальта. Это 3d-металл и K1~106, то есть на 2 порядка у кобальта ниже, чем у редкоземельных металлов. Такие выдающиеся макросвойства были обнаружены. Это, естественно, привлекло внимание магнитологов, поскольку ранее о веществах со столь высокими свойствами известно не было.
Позже выяснилось, что величина магнитострикции в такого рода объектах тоже очень высока. Если у никеля ~34·10-6 относительной деформации, то у РЗМ это 1230·10-6 (разница между величиной магнитострикции вдоль приложенного поля и перпендикулярно), то есть примерно на 2÷3 порядка больше, чем у 3d-металлов. В таблице 10 приведены значения коэффициентов магнитострикции тяжелых РЗМ.
18
![](/html/2706/35/html_WkBjLZJVNu.3SyN/htmlconvd-vIEjRN19x1.jpg)
Таблица 10 - Коэффициенты магнитострикции ТРЗМ
Металл |
λ║-λ┴ |
|
,2 |
, 2 |
|
2 |
|||
Tb |
1230*10-6 |
5460*10-6 |
22000*10-6 |
|
Dy |
1400*10-6 |
8500*10-6 |
21000*10-6 |
|
Go |
- |
2500*10-6 |
|
|
Er |
- |
5400*10-6 |
- |
|
Gd |
- |
50*10-6 |
137*10-6 |
Рассмотрим методы и формулы описания магнитострикции в кристаллах различной симметрии. В кристаллах кубической симметрии магнитострикцию принято описывать выражением (9).
|
|
|
= 3 |
100 x2 2x 2y 2y z2 z2− 1 |
3 111 x y x y y z y z x z x z |
, (9) |
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где αi — направляющие косинусы углов между вектором намагниченности и |
|
|||||||||||||||||
|
|
кристаллографическими осями, βi — направляющие косинусы углов между направлением |
|
|||||||||||||||||
|
|
измерения деформации и кристаллографическими осями. |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
Как видно из формулы, магнитострикция в кубическом кристалле характеризуется в первом |
|
|||||||||||||||||
|
|
приближении двумя константами: |
100 |
- магнитострикция вдоль ребра кубика и 111 - |
|
|||||||||||||||
|
|
магнитострикция вдоль пространственной диагонали. В случае изотропного поликристалла |
|
|||||||||||||||||
|
|
величина магнитострикции насыщения легко вычисляется по формуле (10): |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
=2 |
100 3 |
111 (10) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
5 |
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Выражение (11) для магнитострикции гексагонального кристалла впервые было выведено |
|
|||||||||||||||||
|
|
Кларком (60-е годы прошлого столетия). Оно значительно длиннее и менее |
репрезентативно/ |
|
|
|||||||||||||||
|
|
показательно/очевидно. |
|
|
1 |
|
|
1 2 2 2 |
|
|
|
|
|
|
||||||
,0 |
2 |
2 |
,0 |
2 |
,2 |
2 |
2 |
2 |
,2 |
|
2 |
|
,2 |
|
|
|
||||
= 1 |
x |
y 2 |
z |
1 |
x |
y |
z− |
3 |
{ |
2 x− y x |
− y 2 x y x y } 2 |
|
x x y y |
z z |
(11)
Вся сложность формулы объясняется тем, что базисная плоскость анизотропна (гексагон), а теория, которая ранее была использована для описания магнитострикции, не отражает факт наличия анизотропии в базисной плоскости, то есть представляет собой кристалл в виде цилиндра.
,0 |
,0 |
не зависят от направления вектора намагниченности в кристалле, о только от |
|||||
1 |
и 2 |
||||||
его |
модуля. |
,0 |
- магнитострикция в |
базисной плоскости |
кристалла. |
,0 |
- |
1 |
2 |
||||||
магнитострикция вдоль оси c кристалла. |
|
|
|
|
|||
,2 |
,2 |
- дополнительные магнитострикционные деформации в базисной плоскости и |
|||||
1 |
и 2 |
||||||
вдоль оси c, соответственно, зависящие от ориентации намагниченности в кристалле. |
|
|
|||||
,2 |
представляет собой искажение круговой симметрии базисной плоскости вследствие |
||||||
вращения вектора намагниченности, а ,2 |
- искажение прямого |
угла между базисной |
|||||
плоскостью и осью c. |
|
|
|
|
|
Индексы α, γ, ε, взятые из теории групп, означают следующее: α – одномерная, γ, ε – двумерная плоская группа симметрии. Индексы (0 и 2) показывают степень направляющего косинуса.
На рисунке 15 представлены четыре из шести возможных типов магнитострикции.
19
![](/html/2706/35/html_WkBjLZJVNu.3SyN/htmlconvd-vIEjRN20x1.jpg)
Рисунок 15: |
|
|
|
|
|
|
|
|
В таблице 11 приведены эмпирические |
значения |
магнитострикции |
гексагонального |
|||||
кристалла. Изотропная магнитострикция ( |
,0 |
и |
,0 |
) |
по |
порядку |
величины 10-3 – |
|
1 |
2 |
|
||||||
довольно велика. Анизотропная магнитострикция ( |
,2 |
|
и |
,2 |
) у Gd (S-ион) составляет |
|||
1 |
|
2 |
всего лишь 0,16*10-3, тогда как, например, у тербия и диспрозия на 2 порядка больше. Для сравнения приведена магнитострикция 3d-металлов.
Факт наличия гигантской магнитострикции в редкоземельных металлах был впервые установлен в начале 60-х годов прошлого столетия и приоритет его установления принадлежит нашим соотечественникам из МГУ – профессору Белову Константину Петровичу, профессору Левитину Рудольфу Зиновьевичу, Никитину Сергею Александровичу – они первыми опубликовали работы по исследованию магнитострикции в РЗМ и подали заявку на открытие.
Таблица 11 - Экспериментальные данные: (в единицах 10-3, T=4,2 K)
λ |
Gd |
Tb |
Dy |
Ho |
Er |
Fe |
Co |
Ni |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
,0 |
0,43 |
-4,27 |
-6,1 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|||
,0 |
7,61 |
13,4 |
12,9 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|||
,2 |
0,16 |
-11,6 |
-14 |
|
|
|
0,03 |
|
1 |
|
|
|
|
||||
,2 |
-0,1 |
23,6 |
22 |
|
|
|
-0,18 |
|
2 |
|
|
|
|
||||
,2 |
|
|
8,7 |
-2,3 |
-3,4 |
|
0,05 |
|
,2 |
|
|
5,7 |
|
|
|
-0,17 |
|
100 |
|
|
|
|
|
0,019 |
-0,071 |
-0,046 |
111 |
|
|
|
|
|
-0,019 |
|
-0,025 |
20