Влияние внешних воздействий на магнитные фазовые переходы в редкоземельных интерметаллидах

Цель: выяснение механизмов магнитных фазовых переходов в интерметаллидах на основе переходных 4f- и 3d-металлов. Решается задача установления влияния обменных взаимодействий, магнитоупругих эффектов и магнитной анизотропии на формирование магнитного упорядочения и его изменение под влиянием внешних воздействий (магнитное поле, температура, давление, состав) в многоподрешеточных магнитоупорядоченных соединениях с конкурирующими взаимодействиями. Синтезированы интерметаллиды La1-xRxMn2Si2 (R=Sm, Gd, Tb, Dy, Er, Y) с разными х. Построены структурные и магнитные фазовые диаграммы. Изучены индуцированные магнитным полем фазовые переходы в RMn2Si2 (R=Tb, Dy, Gd, Er) в магнитных полях до 600 кЭ. Изучены магнитоупругие и магнитотепловые свойства ряда соединений. Установлено, что спонтанный и индуцированный магнитным полем фазовый переход AF - F в La0,75Sm0,25Mn2Si2 сопровождается большой положительной магнитострикцией. Показано, что магнитоупругие эффекты обусловлены изменением межслойного Mn - Mn обменного взаимодействия при переходе. Определены величины адиабатического изменения температуры и изотермического изменения магнитной энтропии La0,25Sm0,75Mn2Si2. Проведены нейтронографические исследования магнитной структуры соединений La1-xTbxMn2Si2 (x=0; 0,1; 0,2; 0,27; 0,4; 1,0) при температурах 4,2 К и 293 К. Определены магнитные структуры и величины магнитных моментов в соединениях. Обнаружено, что спонтанный магнитный момент обращается в нуль при концентрации Tb x= 0,27 и 0,4. Для таких составов магнитная подсистема Mn упорядочена антиферромагнитно. Сочетание сильной одноосной анизотропии и конкуренции межслойных и внутрислойных обменных взаимодействий приводит к формированию фрустрированного магнитного состояния, которое препятствует установлению дальнего магнитного порядка в слоях Tb в соединениях La1-xTbxMn2Si2 (0,2<x≤0,4). Выполнены расчеты электронной, магнитной и равновесной кристаллической структур соединений RMn2Si2 (R=La, Y) с разным типом магнитного упорядочения в рамках теории функционала электронной плотности. Установлено, что основное различие в плотностях состояний LaMn2Si2 и YMn2Si2 состоит в существенно разной степени гибридизации между d-cостояниями Mn и состояниями Si- и R-ионов.Выполнены измерения рентгеновских фотоэмиссионных спектров и произведены расчеты электронной и магнитной структур соединений La1-xTbxMn2Si2 в теории функционала плотности с учетом кулоновских корреляций для f-электронов тербия. Вычислены полная энергия для ферромагнитной и антиферромагнитной фаз, величины магнитных моментов марганца, полные и частичные кривые плотности электронных состояний. Обнаружено, что при х < 0,14 наименьшей энергией обладает ферромагнитная структура, а при х > 0,14 - антиферромагнитная. Установлено, что уменьшение параметра решетки а при замещении La на Tb приводит к увеличению перекрытия орбиталей dxz и dyz марганца c d-орбиталями редкоземельных ионов и соответствующее межслойное сверхобменное взаимодействие Mn - R - Mn стабилизирует антиферромагнитную структуру.Выплавлены сплавы (TmхPr1-х)2Fe17-yCry, Pr2Fe17-хМx с ромбоэдрической решеткой типа Th2Zn17 и Tm2Fe17-хМx с гексагональной решеткой типа Th2Ni17, где М=Cr, V, Ti, Zr, Mn. Установлено, что растворимость замещающих железо элементов тем выше, чем больше атомный радиус редкоземельного элемента и чем меньше атомный радиус элемента М. Показано, что решающее значение для изменения температуры Кюри при легировании в подрешетке Fe имеет характер замещения по позициям, а не изменение межатомных расстояний Fe- Fe, как это часто утверждается в литературе. Изучен магнитокалорический эффект в сплавах (TmxPr1-x)2Fe17 и (TmxPr1-x)2Fe16,5Cr0,5. Установлено, что замещение 0,5 атома железа хромом незначительно понижает изотермическое изменение энтропии, но резко, вплоть до комнатной температуры, увеличивает температуру, при которой оно максимально. Показано, что особый интерес для использования в качестве материалов для магнитотепловых устройств представляют двухфазные (с гексагональной и ромбоэдрической фазами) составы х=0,5 - 0,6. Отработана методика проведения первопринципных расчетов электронной структуры интерметаллических соединений R2Fe17 на примере соединений Y2Fe17, Y2(Fe0,9Si0,1)17 и Y2(Fe0,9Al0,1)17. Полученные полные и парциальные плотности электронных состояний показали хорошее соответствие со специально выполненными измерениями рентгеновских фотоэлектронных и эмиссионных спектров данных соединений. С использованием разработанных первопринципных методов были выполнены расчеты электронной и магнитной структур стехиометрического соединения Tm2Fe17. Полученные спектральные функции и величины магнитного момента атомов железа находятся в согласии с экспериментальными данными.