Магнитные и магнитотепловые свойства гадолиния, тербия и гольмия в области магнитных фазовых переходов (1103560), страница 2
Текст из файла (страница 2)
В данной работе проблемамаксимума адиабатического изменения температуры в материале (максимумаМКЭ) рассматривается, исходя из общих термодинамических принципов, ивпервые дается ответ на вопрос: какое максимальное удельное значение МКЭможет быть теоретически достигнуто при приложении магнитного поля,например, 1 Тл.Процесс оптимизации магнитных материалов с целью их примененияв прототипах магнитных холодильников, и, в особенности, перспективаиспользования комбинированных рабочих тел, требуют более глубокогопонимания характера поведения полевой и температурной зависимостей ихМКЭ и теплоемкости.
Это необходимо для того, чтобы наиболее точноподобрать рабочее тело для каждого узкого интервала температур. В настоящейработе экспериментально исследуется взаимосвязь поведения намагниченностиM , теплоемкости С и МКЭ Tad вблизи точек магнитных фазовыхпереходов в слабых магнитных полях.Прикладные исследования МКЭ ставят перед собой две цели:оптимизацию свойств материала (в частности, увеличение величины МКЭ исмещение точки Кюри в необходимую, заранее заданную конструкцией,область температур) и снижение стоимости материала.
Поэтому, в смыслесочетания физических характеристик и приемлемой цены, актуален поископтимальных составов сплавов или соединений, при котором меняютконцентрации составляющих элементов или добавляют новые элементыв состав, что значительно увеличивает количество образцов, в которыхнеобходимо экспериментально определить зависимость МКЭ от температуры имагнитного поля.В настоящее время известны прямые и непрямые экспериментальныеметоды определения полевых и температурных зависимостей МКЭ. Общийнедостаток этих методов – высокие трудозатраты при проведенииисследований. В то же время для моделирования работы магнитныххолодильников нужна детальная информация о зависимости Smagn (T , H ) во всемрассматриваемом диапазоне температур.
В работе предлагается новый методисследования МКЭ, а именно, с помощью, так называемой, универсальной3кривой для Tad . Как было показано в работе [14], существует универсальнаякривая для изменения магнитной части энтропии, Smagn , в материалахс фазовым переходом второго рода. Была предложена феноменологическаяпроцедура ее построения, которая не требует знания уравнения состоянияматериала. В настоящей работе предлагается феноменологическая процедураTad , использование которойпостроения универсальной кривой длязначительносокращаетвремянапроведениеэкспериментовпри технологических исследованиях.В качестве материала для проверки сделанных выше предположений былвыбран монокристаллический и поликристаллический гадолиний (Gd), так какон является одним из наиболее известных ферромагнетиков, испытывающихфазовый переход второго рода [15,16].
Наличие или отсутствиесоответствующих эффектов, исследованных на наиболее изученном материале,позволит в будущем распространить полученные результаты на более сложныемагнитные системы.Магнитокалорические свойства редкоземельных металлов тербия игольмия, в отличие от гадолиния, не находят применения на практике, однакоих изучение представляется весьма интересным с точки зрения пониманияфундаментальных основ физики магнитных явлений и физики магнитныхматериалов с косвенным обменным взаимодействием, так как эти металлы,наряду с диспрозием, обладают максимальными значениями атомныхмагнитных моментов среди элементов редкоземельного ряда [17].
Более того,тербий и его сплавы считаются основой для изготовления лучшихмагнитострикционных материалов; гольмий и его соединения широкоиспользуются в атомной технике и промышленности [18]. Как следуетиз анализа литературных данных, ранее магнитные и тепловые свойствамонокристаллов этих металлов изучались с использованием образцов разногокачества. В связи с этим достаточно трудно сравнивать результаты, полученныеразными авторами, в попытке составить ясную картину всего многообразиямагнитных фаз, наблюдаемых в тербии и гольмии, и построить на их основеполные фазовую диаграмму металлов.
Анализ литературы показывает, чтоподробное изучение магнитотепловых свойств этих металлов с использованиемцелой серии различных экспериментальных методик в случае магнитных полей,приложенных вдоль различных кристаллографических направлений,на высокочистых монокристаллических образцах до сих пор не проводилось.Подобное изучение магнитных и тепловых свойств высокочистыхмонокристаллов тербия и гольмия имеет фундаментальное значение, так какна характер магнитной фазовой диаграммы существенным образом влияетконцентрация H, C, O, N и F, когда она превышает несколько сотен весовыхppm [19].
Важность использования высокочистых образцов тяжелых РЗМ приизучении магнитной структуры материалов также отмечалась в работе [20], гдебыла продемонстрирована высокая чувствительность аномалии тепловогорасширения тербия к состоянию структуры и чистоте образца. В работеJ. Jensen и A.
Mackintosh [21] делается вывод о том, что в тяжелых4редкоземельных металлах вполне возможно открытие новых магнитных фази структур, занимающих большое количество слоев магнитной подрешетки,при достаточной степени чистоты и совершенства кристаллов. В частности,авторы указывают на вероятность обнаружения в материалах с периодическимупорядочением магнитной фазы типа веер со структурой геликоида(в англоязычной литературе используется обозначение helifan – helix+fan),захватывающей много слоев. Схематическое изображение данной структурыпредставлено на рисунке 1.Кроме того, влияние внешнего магнитного поля на периодическиеструктуры может быть весьма необычным при наличии спиновых кластеров,в которых часть магнитных моментов параллельна направлению поля, а часть –антипараллельна (модулированные структуры). В данном случае в материалеможет произойти переход к структуре типа спин-слип (спиновогопроскальзывания).
Появление таких структур связано с дополнительноймодуляцией периодической магнитной структуры в областях несоизмеримостикристаллической и магнитной подрешеток. Такие изменения магнитнойструктуры являются достаточно тонкими: их выявление возможно толькос помощью применения комплексных методов исследования на высокочистыхобразцах.Рисунок 1. Веер со структурой геликоидатипа 3/2, наблюдаемый в гольмии при 50 К.Магнитные моменты лежат в плоскостях,перпендикулярныхосигексагональнойсимметрии с, и их относительные положенияизображены стрелками. Магнитные моменты,параллельные и антипараллельные внешнемуполю, изображены с помощью черных и белыхстрелок, соответственно.
Такая структураповторяется с периодичностью 3/2 структурысоответствующего «простого» геликоида [17].Магнитныефазовыедиаграммы,построенные в настоящей работе по результатамэкспериментов,отличаютсяотфазовыхдиаграмм, опубликованных ранее [22,23,24,25].Для лучшего понимания природы и поведениямагнитных структур в тербии и гольмиив указанных интервалах температуры имагнитныхполейтребуетсядальнейшиетеоретические исследования и экспериментыпорассеяниютепловыхнейтроновирентгеновских лучей.Внастоящейработепредставленыэкспериментальныерезультатыизмеренийнамагниченности (полевые и температурные5зависимости), магнитной восприимчивости и теплоемкости монокристалловтербия и гольмия как функций магнитного поля и температуры.
Измеренияпроводились на высокочистых образцах одной степени чистоты и совершенстваструктурысмагнитнымиполями,приложеннымивдольвсехкристаллографических направлений образцов. Полученные результатысравниваются с ранее опубликованными данными. Для анализа поверхностимонокристаллов гольмия и составления «магнитной карты» металлав определенных интервалах полей и температур применялась методикаХолловской магнитометрии.Кроме того, на основании уточненной фазовой диаграммы монокристаллатербия в базисной плоскости, в настоящей работе сделана попытка объяснитьотносительно высокие значения изменения магнитной части энтропии,наблюдаемые в металле, по сравнению с другими тяжелыми РЗМ.Как было указано выше, помимо достаточно традиционных методовисследования магнитных материалов, в работе использовались и нестандартныеметодики, которые также позволяют получить информацию о наличии тех илииных магнитных структур.
Так, с использованием экспериментальной методикиАндреевскойспектроскопиибылиизученысвойстваконтактасверхпроводник/ферромагнетик с целью обнаружения аномального эффектаАндреевского отражения, предсказанного ранее теоретически в материалах,в которых существует область неоднородной намагниченности. В качестветакого материала были выбраны монокристалл и тонкая монокристаллическаяпленка гольмия. Обнаружение аномального эффекта Андреевского отраженияпозволилокосвенноподтвердитьсуществованиеферромагнитногоупорядочения типа конус в гольмии в области низких температур (< 10 К)в слабых магнитных полях.Таким образом, ввиду повышенного интереса научно-техническогосообщества к редкоземельным металлам и их сплавам изучение магнитных имагнитотепловыхсвойствнаиболееинтересныхпредставителейредкоземельного ряда – гадолиния, тербия и гольмия – представляет собойактуальную задачу, как с фундаментальной точки зрения, так и с точки зренияперспектив практического применения.Цель исследования.
Цель диссертационной работы заключаласьв комплексном изучении магнитных и магнитотепловых свойств тяжелыхредкоземельных металлов: гадолиния, тербия и гольмия – для выявленияособенностей их поведения в области магнитных фазовых переходов, а такжедля уточнения магнитных фазовых диаграмм.Задачи исследования:1. На основе детальных измерений полевых зависимостейнамагниченности определить величину температуры КюримонокристаллическогометаллическогогадолинияметодомБелова – Горяги с учетом влияния размагничивающего фактора.62.3.4.5.6.7.Получить теоретическое выражение для значения «истинной»температуры Кюри.Теоретически определить максимальное значение удельнойвеличины МКЭ. Продемонстрировать, что поиск объемногомагнитного материала со свойствами лучше, чем у гадолиния, дляиспользования в магнитных холодильниках, представляет собойкрайне сложную задачу.Экспериментальноисследоватьзакономерностиповедениянамагниченности, теплоемкости и МКЭ для поликристаллическогогадолиния в области температуры Кюри.С целью упрощения экспериментального и теоретическогоисследованияМКЭмагнитныхматериаловпредложитьфеноменологическую процедуру построения универсальной кривойдля МКЭ и проверить ее на примере гадолиния.Провести измерения полевых и температурных зависимостейнамагниченности, реальной и мнимой компонент магнитнойвосприимчивости и теплоемкости монокристаллов тербия вдольвсехкристаллографическихнаправлений.Наоснованииполученных данных уточнить магнитную фазовую диаграммуметалла с указанием точных границ существования ранееизвестных и новых фаз.Провести комплексные измерения магнитных и магнитотепловыхсвойств монокристаллов гольмия вдоль всех кристаллографическихнаправлений, в том числе, с привлечением оригинальных методикХолловской магнитометрии и Андреевской спектроскопии.Уточнить магнитную фазовую диаграмму металла с указаниемточных границ существования ранее известных и новых фаз.Исследовать Андреевские спектры контакта Nb/Ho.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
