θк = 2zk (cA2 AAA + cB2 ABB + cAcB AAB ) ,
где z – координационное число; k – постоянная Больцмана.
Как видно, зависимость квадратичная. Результаты расчетов влияния легирования никеля другими переходными металлами на температуру Кюри, приведенные на рис. 3.120, показали хорошее соответствие с экспериментальными данными. Отметим, что точка Кюри ферромагнетиков почти всегда понижается при растворении в них неферромагнитных компонентов.
3.6.9. Антиферромагнетики и ферримагнетики
Как было показано выше, отрицательное обменное взаимодействие (A < 0) вызывает антипараллельное расположение спиновых магнитных моментов. Если магнитные моменты соседних узлов решетки кристалла одинаковы, то мы имеем дело с антиферромагнетизмом. Если противоположно направленные моменты не компенсируют друг друга, то вещество является ферримагнетиком. Антиферромагнетиками при комнатной температуре являются как чистые металлы (Mn, Cr, легкие редкоземельные металлы − Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu), так и большое число соединений переходных металлов. Магнитная восприимчивость антиферромагнетика постепенно повышается с температурой до максимального значения в точке Нееля ТN, в которой упорядоченное расположение спинов полностью утрачивается, и антиферромагнетик становится парамагнетиком. Дальнейшее повышение температуры выше точки Нееля приводит к уменьшению величины магнитной восприимчивости.
Так как спиновые магнитные моменты локализованы вблизи узлов кристаллической решетки, то удобно ввести понятие магнитной структуры тела. Экспериментальное изучение магнитных структур оказалось возможным с помощью дифракции нейтронов, имеющих, как известно, собственный магнитный момент.
Магнитную структуру антиферромагнетика в наиболее простых случаях можно представить себе как суперпозицию двух или более вставленных друг в друга подрешеток, в каждой из которых маг-
557
нитные моменты направлены параллельно, а магнитные моменты различных подрешеток компенсируют друг друга. Пример магнитной структуры антиферромагнетика приведен на рис. 3.121.
Оксид марганца МnО имеет кристаллическую структуру типа NaCl. Магнитная структура выражается в последовательном чередовании в семействе {111} плоскостей с параллельной и антипараллельной ориентацией спиновых моментов вдоль одного из
ребер куба. В результате период маг- Рис. 3.121. Магнитная структура нитной структуры удваивается по срав- антиферромагнетика MnO нению с периодом атомной структуры.
Магнитное взаимодействие между плоскостями {111} приводит к небольшому искажению кубической решетки, что устанавливается рентгенографически.
Наиболее типичными ферримагнетиками являются ферриты –
двойные оксиды металлов состава MeO.Fe2O3: где Me – двухвалентный металл (Mg2+, Zn2+, Cu2+, Ni2+, Fe2+, Mn2+). Ферриты имеют
кубическую структуру типа шпинели. В элементарной ячейке структуры содержится восемь формульных единиц, т. е. 32 атома кислорода, 8 ионов двухвалентного металла Мe2+ и 16 ионов трехвалентного железа Fe3+. Атомы кислорода образуют плотную кубическую упаковку. Восемь октаэдрических пустот в элементарной ячейке заняты ионами Fe3+, а в 16 тетраэдрических пустотах располагаются 8 ионов двухвалентного металла Мe2+ и 8 ионов трехвалентного железа Fe3+. Магнитные моменты трехвалентных ионов Fe3+, расположенные в октаэдрических и тетраэдрических пустотах, попарно антипараллельны друг другу, а наблюдаемый магнитный
момент обусловлен нескомпенсированными спиновыми моментами ионов Мe2+.
Оценим магнитный момент, приходящейся на один атом железа в соединении Fe3O4 = FeO.Fe2O3. Поскольку один ион Fe2+ на молекулу дает четыре магнетона Бора, то по расчету на один атом железа в этом соединении приходится средний момент Мср 4/3МБ = 1,33МБ, что близко к экспериментальному значению – 1,33МБ.
558