Диссертация (1104133), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Общийобъем работы составляет 128 страниц, содержит 62 рисунка и 4 таблицы.10ГЛАВА 1. Литературный обзор1.1. Сплавы на основе железа и родия (Fe-Rh): кристаллическая структура,фазовый переход АФМ – ФМ, магнитные и электронные свойстваВ 1938 году M. Fallot [1,25] впервые показал, что при повышении температурыупорядоченный магнитомягкий сплав Fe0.5Rh0.5 испытывает фазовый переход первогорода из антиферромагнитной (АФМ) фазы в ферромагнитную фазу (ФМ).
Этот переходпроисходит при температуре Ttr ~ 320 K и сопровождается увеличением объема примернона 1% [26–28]. Фазовый переход проявляет температурный гистерезис и температурнуюобласть сосуществования двух фаз: АФМ и ФМ [29]. Рентгенографические исследованияпоказали, что переход АФМ — ФМ является изоструктурным [30]. Как при переходеАФМ – ФМ при нагревании, так и обратном переходе ФМ – АФМ при охлаждениисплавы FeRh проявляют эффект памяти температуры [31].СплавFe0.5Rh0.5имееткристаллическуюструктуруB2(типCsCl,объемноцентрированная кубическая) [25,30]: каждый атом Rh расположен в центре куба,на восьми вершинах которого находятся атомы Fe.
Из нейтронографических исследованийи Мёссбауэровской спектроскопии известно, что в ферромагнитной фазе присутствуетколлинеарное упорядочение магнитных моментов (Рис. 1, правый) атомов Fe (3,2 μB/атом)и Rh (0,9 μB/атом) [32,33]. При более низкой температуре (ниже 320 К) наблюдается АФМструктура,вкоторойатомамиFeобразуетсядвемагнитныеподрешеткиспротивоположными направлениями магнитных моментов (Рис. 1, левый). Магнитныемоменты атомов Fe в АФМ фазе составляют 3,3 μB [34], а атомы Rh имеют нулевыезначения магнитного момента [35,36]. Данное поведение магнитной структуры показанотакже из теоретических рассмотрений, основанных на первых принципах [37].Рис.
1.Структура Fe0.5Rh0.5 в АФМ (слева) и ФМ (справа) состоянии (на схеме атомыFe в вершинах куба, атомы Rh – в центре) [38].11При температуре около TC = 675 К (температура Кюри) сплавы FeRh испытываютфазовыйпереходвторогородавпарамагнитную(ПМ)фазу,приложениегидростатического давления (до 60 кбар) смещает этот переход в сторону высокихтемператур [27,39].Важно отметить, что авторами недавней работы [40] показано, что в АФМ фазекубическая B2 структура не является стабильной.
Стабильной структурой в АФМ фазеявляется орторомбическая (Рис. 2), энергия которой всего на несколько мэВ/атом меньше,чем энергия кубической B2 структуры.Рис. 2. Орторомбическая структура АФМ фазы сплава Fe-Rh (а), показанная в работе[40] и ее проекция на плоскость 001 (б).В области фазового перехода первого рода сплавы Fe1-xRhx (0,46 < x < 0,52)проявляют интересные функциональные свойства, такие как гигантская магнитострикция(величина объемной магнитострикции ω = 8,2×10-3) [41], значительное уменьшениесопротивления [39], что приводит к гигантскому магнитосопротивлению при комнатныхтемпературах во время перехода АФМ – ФМ, вызванного магнитным полем (изменениесопротивления ΔR/R ~ 50%) [42].
При приближении из ФМ области к точке фазовогоперехода АФМ – ФМ происходит увеличение коэрцитивной силы сплава FeRh добесконечного значения [43]. В сплавах, легированных третьим металлом наблюдаетсятакже резкое падение удельного сопротивления до 43 % при температуре фазовогоперехода АФМ – ФМ [44]. Кроме того, в сплавах Fe1-xRhx (0,46 < x < 0,52) при изменениимагнитного поля показаны большие значения изотермического изменения энтропии ΔS(ΔS = 12,58 J/kg K) [15], что вызывает гигантский МКЭ. Авторы работы [45] на основе12измерений намагниченности делают вывод о том, что магнитоструктурный фазовыйпереход происходит не за 1 шаг, а в результате многошагового процесса, в которомпроявляются различные механизмы зарождения и роста новой ФМ фазы.В работе [38] на основе теоретических рассмотрений из первых принципов делаетсявывод, что причиной метамагнитного перехода в FeRh является существование двухмагнитных состояний атомов Rh, связанных с конкурирующими ферромагнитным Fe – Rhи антиферромагнитным Fe – Fe обменными взаимодействиями.Известно, что температура фазового перехода в FeRh зависит от величинымагнитного поля [46].
Зависимость величины критического поля, необходимого дляперехода, от температуры экспериментально определялась авторами работ [47,48]. Приэтом, ими получены различные результаты: квадратичная зависимость против линейной.Причина несовпадения результатов не ясна. Позже, в работе [46] из теоретическихсоображений получена квадратичная температурная зависимость критического поля АФМ– ФМ перехода в FeRh, а в работе [49] с помощью измерений в постоянных магнитныхполях получена почти линейная зависимость критического поля от температуры. Авторыотмечают, что линейный характер температурной зависимости критического поляпозволяет предположить вклад кристаллической решетки в изменение энтропии наряду сэлектронным вкладом. Таким образом, дискуссия о влиянии решетки на фазовый переходАФМ – ФМ в сплавах FeRh началась в 1960-х годах, после предположения Киттеля о том,что увеличение параметра решетки при переходе АФМ - ФМ связано с инверсиейобменной энергии при определенном значении параметра решетки [50].
Модель Киттеляпредполагает строгую зависимость обменного интеграла от параметра решетки и,соответственно, теплового расширения и давления, и данная модель не могла объяснитьсильное изменение энтропии при переходе в FeRh. В теории, предложенной в работе [51]предполагается, что обменный интеграл не имеет строгую зависимость от параметрарешетки и остается постоянной вплоть до температур Кюри и Нееля.
Авторы отмечают,что данная модель позволяет получить значение изменения энтропии, а также изменениекритического поля с температурой. Теоретические и экспериментальные рассмотрениямагнитных фазовых переходов первого рода типа порядок-порядок и порядок-беспорядокпредставлены в обзорной работе [52].Вработе[5]представленаэмпирическаямодельдляFeRh,вкоторойрассматриваются продольные и поперечные флуктуации моментов атомов Rh и Fe. Сиспользованием разработанной модели показано, что важную роль в фазовом переходеАФМ – ФМ в FeRh играют магнитные и объемные флуктуации.13Фазовые переходы первого рода сопровождаются поглощением или выделениемскрытой теплоты [53] перехода.
Фазовый переход АФМ – ФМ в сплавах FeRh, при ростетемпературы или внешнего магнитного поля сопровождается поглощением теплоты.Обратный переход ФМ – АФМ, вызванный понижением температуры или магнитногополя, происходит с выделением теплоты [54]. Величина скрытой теплоты переходапервого рода в сплавах FeRh зависит от магнитного поля. В работе [55] исследовалисьтепловые эффекты при переходе в сплаве FeRh сильных магнитных полях до 14 Тл.Авторами показано уменьшение скрытой теплоты перехода при увеличении магнитногополя как при нагревании (переход АФМ - ФМ), так и при охлаждении (переход ФМ АФМ). Так же, в работе [55] продемонстрирован переход АФМ – ФМ – АФМ, вызванныйвозрастанием/уменьшением поля при зафиксированной температуре в 280 К в Fe48Rh52.Показан, что такой переход при данной температуре происходит при росте магнитногополя до 12 Тл.В работе [56] экспериментально показано, что при одинаковых температурахпредельное поле, необходимое для адиабатического фазового перехода АФМ – ФМ вовсем объеме сплава FeRh значительно выше критического поля, необходимого дляизотермического фазового перехода АФМ – ФМ в том же сплаве.
Когда магнитное полеприкладывается к сплаву FeRh изотермически при температуре ниже температурыфазового перехода АФМ – ФМ, сплав поглощает энергию из окружающей среды в видескрытой теплоты перехода. Когда же магнитное поле прикладывается к образцуадиабатически при тех же условиях, фазовый переход в FeRh происходит только за счетэнергии магнитного поля.Авторы работы [57] отмечают, что из известных на сегодняшний день материалов,только химически упорядоченный FeRh претерпевает фазовый переход АФМ – ФМ притемпературах, близких к комнатным.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
