Магнитные и магнитотепловые свойства гадолиния, тербия и гольмия в области магнитных фазовых переходов

• Автор: Зверев, Владимир Игоревич
• Шифр специальности: 01.04.11
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 149 с. : ил.

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Гадолиний

1.1.1 Магнитные свойства гадолиния

1.1.2 Основные представления о магнитокалорическом эффекте

1.1.3 Методы определения температуры Кюри ферромагнитных материалов

1.3.4 Поведение аномалий магнитотепловых свойств и универсальная кривая для

магнитной части энтропии

1.2 Магнии 1ын свойства и фазовая диаграмма ме галлического тербия

1.3 Гольмий
1.3.1 Исследование магнитных и магнитотепловых свойств металла
1.3.2 Явление Андреевского отражения
ГЛАВА 2. ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
2.1 Образцы для измерений
2.2 Методика изготовления образцов
2.2.1 Монокристаллы гадолиния и тербия
2.2.2 Монокристаллы гольмия
2.3 Экспериментальные методики
2.3.1 Измерения намагниченности и магнитной восприимчивости
2.3.2 Измерение теплоемкости
2.3.3 Измерение магнитокалорического эффекта
2.3.4 Методика Андреевской спектроскопии
2.3.5 Холловский магнитометр
ГЛАВА 3. МАГНИТНЫЕ И МАГНИТОТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА ГАДОЛИНИЯ
3.1 Определение точного значения температуры Кюри
3.1.1 Теоретическая модель

3.1.2 Методика учета размагничивающего фактора
3.1.3 Экспериментальные результаты и обсуждение
3.2 Теоретическая оценка максимальной величины магнитокалорического эффекта
3.3 Поведение аномалий магнитотепловых свойств
3.4 Универсальная кривая магнитокалорического эффекта
ГЛАВА 4. МАГНИТНЫЕ И МАГНИТОТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА
ТЕРБИЯ
4.1 Магнитная фазовая диаграмма
ГЛАВА 5. МАГНИТНЫЕ И МАГНИТОТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА
ГОЛЬМИЯ
5.1 Магнитная фазовая диаграмма
5.2 Экспериментальные доказательства смешивания ст т ювых состояний в монокристаллах и тонких пленках гольмия
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение
Редкоземельные металлы (РЗМ) и их сплавы вызывают неослабевающий интерес исследователей во г уже более пятидесяти лет. В группу этих металлов входит 17 элементов периодической системы: лантан, скандий, иттрий и 14 лантаноидов. Семейство лантаноидов состоит из церия, празеодима, неодима, прометия, самария, европия, гадолиния, тербия, диспрозия, гольмия, эрбия, тулия, иггербия и лютеция. Наибольший интерес с точки зрения физики магнетизма представляют так называемые тяжелые РЗМ: металлы, стоящие в ряду лантаноидов после гадолиния. Уникальные магнитные свойства, а именно, наибольшие среди всех элементов Периодической системы величины магнитных моментов атомов этих металлов в совокупности с большой перспективой практического применения являются причиной активного исследования их свойств: число научных публикаций, посвященных редкоземельным магнетикам и их сплавам, неизменно растет, начиная е 1950-х гг., что способствует все более глубокому пониманию физики магнитных явлений РЗМ и их сплавов. Изучение свойств РЗМ также имеет большое прикладное значение, так как указанные металлы, их сплавы и соединения широко используются во всех областях современной техники. По меткому выражению академика А.Е. Ферсмана, РЗМ являются «витаминами промышленности» и ее важным стратегическим потенциалом. РЗМ и их сплавы используются в элекгронике, приборостроении, атомной промышленности, машиностроении, химической промышленности, в металлургии. Не удивительно, что страны, обладающие значительными запасами редкоземельных металлов, считают их стратегическими, называя РЗМ «золотом XXI века». Так, обладающий наибольшими разведанными запасами РЗМ в мире, Китай, являющийся в настоящее время практически монополистом на рынке редкоземельных металлов, в конце 2010 года увеличил экспортные цены на все металлы этой группы в несколько раз, что вызвало ажиотажный спрос на рынке и. в свою очередь, способствовало еще более резкому росту цен. В ответ на вызовы времени в США началось расконсервирование собственных месторождений РЗМ - крупнейшая добывающая американская компания Мо1усогр заявила о готовности возобновить собственное производство РЗМ в США к 2014 г. По объему разведанных запасов РЗМ Россия занимает третье место в мире. По оценкам экспертов, для возобновления собственной добычи и переработки сырья в нашей стране требуется, по крайней мере, десять лет [1]. Во исполнение этой цели в 2010-2011 гг. в Правительстве РФ была разработана Федеральная целевая программа, которая предполагает восстановление полного цикла добычи-перерабогки-изготовления продукции из добываемого

В работе [88] изучалось магнитосопротивление монокриеталлических образцов гольмия. В работе были построены (разовые диаграммы, и доказано существование дополнительной стабильной промежуточной фазы между АФМ и коническим ФМ упорядочением.
В 1980-х гг. было открыто два новых класса магнитных структур: структуры типа спин-слип (врт-вИр) и веерные фазы со структурой геликоида (ЬеПГапБ). При помощи синхротронного излучения в работе [89] было показано, что магнитная структура несоизмеримой спиральной фазы в 11о между 18 и 30 К состоит из областей соизмеримости, разделенных массивами несоизмеримых структур типа спин-слип. Другие данные нейтронографии показали существование дополнительных магнитных структур типа спин-слип [90]. В работе [91] аномалии при 21, 42, и 98 К наблюдались на температурных зависимостях намагниченности, и это был единственный до настоящего времени случай, известный из литературы, когда переходы типа спин-слип были обнаружены с использованием результатов магнитных измерений. В работе [92] было показано существование ферримагнитной структуры типа спин-слип. В работе [93] были проведены исследования монокристалла гольмия методом рентгеновской дифракции, и показано, что магнитные фазовые переходы являются следствием изменения параметра кристаллической решетки с.
В теоретической работе [94] было показано, что конкретные характеристики общей для всех тяжелых РЗМ особенности - перехода от ФМ структуры к несоизмеримому упорядочению — связаны с уменьшением объема элементарной ячейки с ростом атомного номера элемента в ряде лантанидов.
В целом ряде работ представлены магнитные фазовые диаграммы гольмия [85,87,93,21], но в них имеются существенные различия. В частности, это связано с тем, что ранее использовались образцы неизвестной, и часто, низкой, чистоты. Аналогично металлическому тербию анализ литературы показывает, чго подробное изучение магнитотепловых свойств металлического гольмия с использованием целой серии различных экспериментальных методик в случае магнитных полей, приложенных вдоль различных кристаллографических направлений, на высокочистых монокриеталлических образцах, вырезанных из одного куска металла, до сих пор не проводилось.
1.3.2 Явление Андреевского отражении
Явление Андреевского отражения - это отражение носителей заряда (электронов и дырок) в металле, находящемся в нормальном состоянии (Д(1. от границы со сверхпроводником (5); при этом происходит изменение знаков заряда носителей: