Приглашаем посетить сайт
ФЕРРОМАГНЕТИК
ФЕРРОМАГНЕТИК - вещество, в к-ром ниже определ. темп-ры ( Кюри точка Т C )устанавливается ферромагн. порядок магнитных моментов атомов (ионов) в неметаллич. веществах и спиновых магн. моментов коллективизированных электронов в металлич. веществах (см. Ферромагнетизм). Наиб. важными характеристиками Ф. являются точка Кюри Т C, атомный магн. момент M ат при 0 К, уд. самопроизвольная (спонтанная) намагниченность M0 (на 1 г) при 0 К и уд. намагниченность насыщения (на 1 см 3) при 0 К. Среди чистых хим. элементов к Ф. относятся только 3 переходных 3d -металла- Fe, Co, Ni- и 6 редкоземельных металлов (РЗМ) - Gd, Tb, Dy, Но, Er и Tm (табл. 1). В 3d -металлах и РЗМ Gd реализуется коллинеарная ферромагн. атомная структура, а в остальных РЗМ - неколлинеарная (спиральная, циклоидальная, синусоидальная; см. Магнитная атомная структура). Самопроизвольная намагниченность 3d -элементов в осн. образуется из спиновых моментов гибридизир. системы коллективизированных 3d+4s -электронов, а в РЗМ 4f -элемен-тах - из локализованных 4f -слоёв и подмагниченных 6s- и 5d -электронов.
Табл. 1.- Ферромагнитные металлы (химические элементы)
* Ат. магн. момент при 0 К; ** уд. намагниченность при 0 К;
*** уд. намагниченность насыщения при 0 К.
Кроме этих 9 Ф. (чистых элементов) имеется огромное число ферромагн. сплавов и соединений, как бинарных, так и более сложных (многокомпонентных) металлических и неметаллических (полупроводниковых, полуметаллич., диэлектрич., сверхпроводящих), кристаллических и аморфных. Классификацию Ф.- сплавов и соединений металлич. типа можно провести, напр., по электронной структуре атомов (ионов) их компонент.
С п л а в ы п е р е х о д н ы х d- и f -э л е м е н т о в м е ж д у с о б о й: а) сплавы 9 ферромагн. элементов (Fe - Ni, Fe - Со, Со -Ni, Fe -Co -Ni, Fe -Gd, Gd -Dy и т. <д.); б) сплавы переходных ферромагн. металлов с антифер-ромагн. (Мn и Сr) и парамагн. переходными металлами (Fe-Cr, Fe -Мn, Со-V, Ni- Ti, Fe -Pd, Co -Pt, Gd-V, Eu - Ti и т. <п.); в) сплавы переходных антифер-ромагн. металлов (Мn и Сr) с парамагн. переходными металлами (Сr-Pt, Мn-Pd, Сr-Pd и т. <п.).
С п л а в ы п е р е х о д н ы х м е т а л л о в с н о р м а л ьн ы м и э л е м е н т а м и: а) сплавы переходных ферромагн. металлов с нормальными элементами (Ni - Сu, Со - Ag, Ni - Al, Ni -Si, Fe -Si, Fe-Al, Ni -N и т. <п.); б) сплавы переходных антиферромагн. d -металлов (Мn и Сr) с нормальными элементами (гейслеровы сплавы): Сu2 МnМ (где М-Al, Ge, Zn, Sn, As, In, Sb, Bi, Ga и др.), а также Mn4N, ZnCMn3, AlCMn3, CuCMn3, Mn -Au, Mn -P, Mn -As, Mn -Sb, Mn -Bi, Mn -S, Mn -Se, Mn-Те, Mn - C, Mn - Sn, Mn - H, Mn - В и т. п.; в) сплавы переходных парамагн. металлов с нормальными элементами: ZrZn2, Sc3In (точнее, в интервале составов Sc0,762In0,239 - Sc0,753In0,242) и Au4V (в интервале составов 18,99-24,01 атомных % V )и др.
Можно также классифицировать Ф. по характеру распределения атомов (ионов) разл. компонент по разл. типам узлов кристаллич. решётки: неупорядоченные или упорядоченные сплавы, интерметаллич. соединения (Fe2B, Fe3S, Fe4N, FeBe3, MnAs, Mn2Sb, CrTe, MnP и т. п.).
Наконец, можно различать ферромагн. сплавы и соединения по типу кристаллич. решётки [простая кубическая (ПК), объёмноцентрированная кубическая (ОЦК), гране-центрированная кубическая (ГЦК), гексагональная с плотной упаковкой (ГПУ) и т. <п.], а также, напр., выделять ионные соединения с металлич. проводимостью. О характере и типе обменного взаимодействия в м а г н е т и з м е, благодаря к-рому вещество становится Ф., подробнее см. в ст. Ферромагнетизм.
Рис. 1. Зависимость среднего атомного магнитного момента насыщения р (в единицах mB) сплава Fe-Со от концентра ции Со (в атомных %).
Рис. 2. Зависимость среднего атомного магнитного момента насыщения р (в единицах mB) сплава Ni-Co от концентрации Со (в атомных %).
В Ф., не относящихся к 9 хим. элементам, ср. атомный магн. момент, приходящийся на эфф. "молекулу" сплава или соединения, весьма сложно зависит от их состава. Определять парциальные атомные магн. моменты отд. магнитно-активных компонент как ф-ций состава позволяет магнитная нейтронография. При этом весьма существенна размерность образцов; напр., для мультислойной магнитной плёнки сплава Со - Сr толщиной ~2 нм обнаружен гигантский магн. момент насыщения, при 80 К достигающий 4,80 mB, что более чем в 2 раза превышает соответствующую величину для Fe. В плёночных мульти-слоях из неферромагн. компонент Мn и Si при толщинах ~ 20 нм наблюдался заметный магн. момент при темп-рах ~360 °С; обнаружен также очень большой ср. атомный магн. момент на атом Fe в плёнках состава Fe16N2, равный 5,5 mB при 5 К и 3,2 mB при комнатной темп-ре [8].
Кривые зависимости ср. атомных магн. моментов и точек Кюри от состава Ф. могут носить как монотонный (рис. 1, 2, 4), так и существенно немонотонный характер (рис. 3); последнее связано со структурными превращениями в сплавах. На рис. 5 показано сравнение наблюдаемых на опыте и рассчитанных теоретически полных атомных магн. моментов насыщения для разл. ферромагн. соединений (магнитно-твёрдых материалов) R2Fe14B, где R - РЗМ; на рис. 6 показана аналогичная зависимость от состава для гипотетич. интерме-таллидов FeT7 (Т - к.-л. переходный 4d- или 5d -металл), рассчитанная на основе феноменологич. модели Жакарино и Уокера (1965).
Рис. 3. Диаграмма фазового равновесия сплавов Fe-Co. Сплошная и толстая штриховая линии - границы фазовых областей. Тонкая штриховая линия-линия точек Кюри сплавов в зависимости от массовых % Co.
Рис. 4. Зависимость точек Кюри сплава Со - Ni от концентрации Ni (в атомных %).
Рис. 5. Полные атомные магнитные моменты на формульную единицу соединения R2Fe14B в единицах mB; -данные эксперимента, -теории.
В табл. 2-9 приведены значения точек Кюри для ряда Ф.: в табл. 2-для ферромагн. соединений РЗМ и ферро-магн. 3d -металлов; в табл. 3-для соединений 3d -металлов и РЗМ с др. переходными металлами; в табл. 4-для
нек-рых гейслеровых сплавов; в табл. 5-для соединений переходных ферромагн. элементов с нормальными элементами (металлами и металлоидами); в табл. 6-для ак-тинидных и трансурановых Ф.; в табл. 7-для аморфных Ф.; в табл. 8 - для полупроводниковых Ф.; в табл. 9-для сверхпроводящих Ф.
Рис. 6. Атомный магнитный момент в единицах mB на атом Fe в окружении атомов переходных 4d-(0)и5d-(D)металлов в гипотетическом сплаве ОЦК FeT7 (по теории Жакарино- Уокера).
Табл. 2.-Точки Кюри соединений редкоземельных металлов с ферромагнитными 3d -металлами
Соединение |
TC, К |
Соединение |
TC, K |
Соединение |
TC, K | ||
SmFe2 GdFe3 TbFe2 DyFe2 HoFe3 ErFe3 TmFe3 GdFe17 Ho6Fe23 |
700 728 705 614 567 553 539 466 493 |
PrNi SmNi GdNi NdNi2 TbNi2 DyNi3 Ho2Ni2 TmNi5 GdNi17 |
20 45 77 16 45 69 70 7 205 |
PrCo DyCo3 HoCo2 NdCo3 GdCo3 Gd4Co3 Sm2Co17 Er2Co17 Tm2Co17 |
7 55 95 395 612 230 1190 1180 1182 | ||
Табл. 3.- Точки Кюри соединений ферромагнитных 3d -металлов и РЗМ с переходными антиферромагнитными и парамагнитными металлами
Соединение |
TC, K |
Соединение |
TC, K | ||
FePd3 ZrFe2 HfFe2 YFe2 FePt YCo5 LuCo5 CeCo5 Ni3Mn Ni3Pt |
705 588 591 550 750 921 840 647 773 370 |
PrRu2 NdRh2 SmRh2 GdMn2 GdRu2 TbOs2 DyIr2 HoRh2 ErOs2 TmIr2 |
38 6 22 86 83 34 23 16 3 1 | ||
Табл. 4.- Точки Кюри сплавов Гейслера и других соединений Мn и Сr
Соединение |
TC,K |
Соединение |
TC,K | ||
Cu2MnSn Cu2MnAl Cu2MnIn Ni2MnIn MnAs MnB |
723 718 500 323 318 533 |
MnBi Mn4N MnP Mn2Sb Mn4Sn Mn2Sn CrTe |
633 743 298 587 423 262 339 | ||
Табл. 5.-Точки Кюри ферромагнитных соединений переходных d- и f -металлов с нормальными химическими элементами
Табл. 6.- Точки Кюри ферромагнитных соединений актинидов и трансурановых элементов
Табл. 7.- Точки Кюри аморфных ферромагнитных соединений
Табл. 8.-Точки Кюри некоторых ферромагнитных полупроводников
Табл. 9.- Точки Кюри ферромагнитных сверхпроводников
Наряду с кристаллич. веществами ферромагн. порядок обнаружен также в аморфных (метастабильных) металлич. сплавах и соединениях (табл. 7) (см. Металлические стёкла), а также в аморфных магнетиках, являющихся соединениями 3d -металлов и РЗМ с металлоидами (В, С, N, Р, S и др.) и в целом по свойствам мало отличающихся от соответствующих кристаллич. веществ (за исключением магнитной анизотропии). Для т. <н. с л а б ы х Ф., относящихся к классу соединений переходных парамагн. металлов с нормальными элементами (металлами и металлоидами), характерны следующие значения Т C:28 К для ZrZn2, 29 К для MnSi, 41 К для Ni3Al; магнетизм этих веществ определяется коллективизир. электронами. Число изученных неметаллич. Ф. пока значительно меньше, чем металлических; наиб. изученными являются магнитные диэлектрики (в частности, ферриты), а также магнитные полупроводники типа халькогенидов двухвалентного РЗМ европия ЕuХ, где X - О, S, Se, Те (первым из них в 1961 открыт ЕuО). Синтезировано и изучено большое число Ф.-соединений Eu1-xRxO типа твёрдых растворов на основе моноокиси Еu с РЗМ (R - Sm, Gd); в частности, при х = 0,015 точка Кюри в Eu1-xGdxO и Eu1-xSmxO повышается соответственно до 135 и 130 К (по сравнению со значением 69,4 К для х = 0).
Особую группу Ф. образуют сильно разбавленные растворы замещения парамагн. атомов, напр. Fe или Со в диамагн. матрице Сu, Аu или Pd. В этих веществах атомные магн. моменты распределены неупорядоченно, т. е. при наличии ферромагн. порядка отсутствует атомный порядок. Магн. упорядочение наблюдается также в магнитных сверхпроводниках, несмотря на "антагонизм" между ферромагнетизмом и сверхпроводимостью. Среди РЗМ и актинидных магнетиков большой интерес представляют т. <н. к о н д о в с к и е м а г н е т и к и (см. Кондо-решётки, Кон-до эффект), к-рые в большинстве случаев относятся к антиферромагнетикам; известен, однако, ряд кондовских Ф. на основе церия, в т. <ч. Ce4Bi3, CeRh3B2, CeSix при х<=1,85, CeSi2_xGex, CeNixPt1-x, Се xLа 1_ хGе 2.
По величине коэрцитивной силы Н с все Ф. делятся на магнитно-мягкие и магнитно-твёрдые. Первые обладают малой Н с и значит. магн. проницаемостью; вторые имеют большие значения Н с и намагниченности остаточной Mr.
Ф. играют существенную роль в разл. областях совр. техники: магнитно-мягкие материалы используются в электротехнике (трансформаторы, генераторы, электромоторы и т. п.), в слаботочной технике связи, радиотехнике и электронике; магнитно-твёрдые материалы применяются для изготовления пост. магнитов, в ускорит. технике и т. <п.
Лит. см. при ст. Ферромагнетизм, а также: 1) Редкоземельные ферро- и антиферромагнетики. М., 1965; 2) Тейлор К., Дарби М., Физика редкоземельных соединений, пер. с англ., М., 1974; 3) Метфессель 3., Маттис Д., Магнитные полупроводники, пер. с англ., М., 1972; 4) Вамбуров В. Г., Борухович А. С., Самохвалов А. А., Введение в физикохимию ферромагнитных полупроводников, М., 1988; 5) Сверхпроводимость в тройных соединениях, под ред. Э. Фишера, М. Майпла, пер. с англ., т. 2. Сверхпроводимость и магнетизм, М., 1985; 6) Ирхин В. Ю., Кац-нельсон М. И., Проблема кондовских магнетиков, "Физ. мет. и металловед.", 1991, № 1, с. 16; 7) Amorphous magnetism, ed. by Н. О. Hooper, de A. M. Graaf, N. Y., 1973; 8) DIGESTS of Intermag-93, April 13-16, 1993, Stockh., Sweden; 9) International Conference on the Physics of Transition Metals, Darmstadt, 20-24, 1992, L., 1993.
С. В. Вонсовский.