2. Магнитные структуры соединений рзм-3d металлов.

Соединения РЗМ с 3d-металлами представляют большой практический интерес. Анализ двойных диаграмм равновесия РЗМ и металлов группы железа обнаруживает большое число интерметаллических соединений, что обусловлено большой разницей атомных радиусов РЗМ (0,173-0,204 нм) с одной стороны и железа, кобальта и никеля (0,125-0,128 нм) с другой. Особый интерес с точки зрения высококоэрцитивных материалов представляют интерметаллические соединения с гексагональной решёткой. К ним относятся соединения типа R₂Co₁₇, RCo₅, R₂Co₇. Кристаллическую структуру соединений этого типа можно представить себе, взяв за основу элементарную ячейку соединения RCo₅. В гексагональной элементарной ячейке типа CaCu₅ можно выделить чередующиеся слои двух типов: одни слои состоят из атомов кобальта, а другие содержат как атомы РЗМ, так и атомы кобальта в соотношении 1:2. (Рис. 215)

Кристаллическую решётку типа R₂Co₁₇ легко получить, если один атом РЗМ в элементарной ячейке заменить парой атомов кобальта, образующих гантельную пару (3RCo₅ – R + 2Co → R₂Co₁₇). Атомы кобальта в гантельной паре располагаются по обе стороны от атомного слоя, содержащего атомы РЗМ, а оси «гантели» перпендикулярны этому слою. В зависимости от перераспределения гантельных пар решётка может быть гексагональной или ромбоэдрической.

Характер кристаллической решётки определяет магнитную структуру соединений, результирующий магнитный момент и вид магнитного взаимодействия. Магнитную структуру соединений типа RCo₅ можно представить как две магнитные подрешётки, одна из которых включает в себя атомы кобальта, а вторая – РЗМ. При этом возникает три типа взаимодействия. Два из них (положительные) возникают внутри каждой подрешётки: в одной между атомами кобальта, а в другой между атомами РЗМ. Таким образом, в каждой подрешётке наблюдается параллельное расположение магнитных моментов атомов кобальта или РЗМ, соответственно. Результирующий магнитный момент соединений определяется третьим типом взаимодействия между атомами кобальта и РЗМ, расположенными в различных подрешётках. Этот тип взаимодействия характеризуется отрицательным обменным интегралом и осуществляется через спиновые моменты атомов кобальта и РЗМ.

В атомах лёгких РЗМ с небольшими магнитными моментами спиновые (S) и орбитальные (L) моменты антипараллельны. Полный момент атома таких РЗМ определяется соотношением

а направление результирующего магнитного момента РЗМ (M_R) определяется направлением большего по величине орбитального момента. Так как отрицательное обменное взаимодействие между атомами кобальта и РЗМ осуществляется через спины, то это приводит к параллельному (ферромагнитному) расположению магнитных моментов атомов кобальта и РЗМ и их сложению, что в свою очередь обусловливает большой результирующий магнитный момент соединения.

В атомах тяжёлых РЗМ с большим магнитным моментом спиновый и орбитальный моменты параллельны и полный момент атома

В этом случае отрицательное обменное взаимодействие между подрешётками РЗМ и кобальта приводит к антипараллельному расположению магнитных моментов кобальта и РЗМ, т.е. к антиферромагнитному упорядочению. Антиферромагнитное упорядочение приводит не только к снижению суммарного магнитного момента соединений РЗМ с кобальтом, но и при этом возникает сильная температурная зависимость намагниченности насыщения соединений с точкой компенсации. Таким образом, с точки зрения высококоэрцитивного материала наибольший практический интерес представляют собой соединения кобальта с лёгкими РЗМ, в которых образуется ферромагнитное упорядочение магнитных моментов и стабильно высокие значения намагниченности насыщения.

Анализ изменения намагниченности насыщения с применением различных атомов РЗМ в соединениях R₂Fe₁₄B показывает, что как и в соединениях типа RCo₅, в случае лёгких РЗМ магнитные моменты подрешёток железа и РЗМ ориентированы параллельно (положительное обменное взаимодействие между подрешётками), а в случае тяжёлых РЗМ – антипараллельно (отрицательное обменное взаимодействие между подрешётками). Положительные значения констант магнитной кристаллографической анизотропии (К₁) указывают на то, что большинство соединений типа R₂Fe₁₄B являются одноосными ферромагнетиками с большими значениями поля анизотропии (Н_А). Направление лёгкого намагничивания в этих соединениях совпадают с направлением тетрагональной оси с. Важной особенностью соединений типа R₂Fe₁₄B (с неодимом, самарием, иттербием, гольмием и тулием) является изменение их магнитной симметрии при понижении температуры. В частности, в соединении NdFe₁₄B при охлаждении ниже температуры 135К происходит спиновая переориентация: направление результирующего магнитного момента подрешёток начинает отклоняться от оси с. При 4,2К направление спонтанной намагниченности занимает среднее положение между осью с и базисной плоскостью, располагаясь в плоскости (110) под углом 30° к оси с.