Поиск в базе сайта:
Физика новых ферромагнитных веществ icon

Физика новых ферромагнитных веществ




Скачать 146.61 Kb.
НазваниеФизика новых ферромагнитных веществ
Дата конвертации13.05.2015
Вес146.61 Kb.
КатегорияТексты

ФИЗИКА НОВЫХ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ВЕЩЕСТВ

Профессор К. П. БЕЛОВ

Без ферромагнитных материалов невозможна работа многих машин и аппаратов в электротехнике, радиотехнике, автоматике; за послед­ние годы эти материалы получили новые, необычайно важные приме­нения. Благодаря открытию прежде неизвестного класса таких мате­риалов — ферритов, обладающих одновременно полупроводниковыми свойствами, был произведен буквально переворот в микроволновой ра­диотехнике. В результате, например, сильно возросла эффективность действия радиолокационных устройств. Появились быстродействующие вычислительные машины на "ферритах, которые по сравнению с маши­нами на электронных лампах более компактны и надежны. Расшири­лось применение ферромагнитных материалов, в том числе и ферритов, в технике ускорителей элементарных частиц, радиоастрономии, магнит­ной звукозаписи и др.

Все это говорит о том, что среди проблем науки, развитие которых может существенно влиять на прогресс новой техники, серьезную роль играют исследования по физике ферромагнитных материалов, направ­ленные на их изыскание и совершенствование.

Помимо важного практического значения, изучение различных фер­ромагнитных веществ представляет большой интерес для развития тео­рии твердого тела.

Явление ферромагнитного состояния вещества реализуется в кри­сталлах, в которых всегда присутствуют атомы или ионы переходных групп (группы железа, редких земель, актинидов). Суть явления за­ключается в том, что в кристалле атомные магнитные моменты упоря­дочиваются по направлению (возникает самопроизвольная или спон­танная намагниченность). Необходимые условия для возникновения са­мопроизвольной намагниченности в кристалле заключаются в наличии атомов переходных элементов, имеющих недостроенные 3d- (или 4/- и 5/-) слои электронной оболочки, благодаря которым атомы обладают магнитными моментами, а также в наличии сил электрического кван­тового взаимодействия между магнитными моментами электронов ато­мов (эти силы, обычно называемые обменными, вызывают магнит­ное упорядочение в кристалле, т. е. самопроизвольную намагничен­ность) .

В настоящее время известно, что в одних кристаллах магнитное упорядочение осуществляется путем прямого обмена, когда электри­ческое, квантовое взаимодействие происходит непосредственно между 3^-электронами соседних атомов (а также между валентными элек­тронами, как это, возможно, имеет место в кристаллах Ni, Fe, Co и их сплавов). В других кристаллах магнитное упорядочение возникает в результате косвенного обмена; в этом случае электроны магнитных атомов взаимодействуют через магнитно-нейтральные ионы, например кислород (в ферритах), или через электроны проводимости (что, по-ви-

3 Вестник АН СССР, № 5

34

^ К. П. БЕЛОВ

димому, имеет место в кристаллах редкоземельных металлов и их сплавов).

Отметим также, что в зависимости от характера строения кристал­лической решетки и расположения в ней атомов прямой и косвенный обмен может привести к другому типу магнитного упорядочения, а именно к антипараллельному расположению магнитных моментов ато­мов. Это явление называется антиферромагнетизмом. Сейчас известно большое число веществ, обладающих антиферромагнитными свойства­ми. По своей природе ферромагнетизм и антиферромагнетизм родствен­ны, и их надо рассматривать совместно, хотя антиферромагнетики от­носятся к слабомагнитным веществам.

Во многих веществах — оксидных соединениях переходных элемен­тов, некоторых сплавах и др.— возникает явление так называемого He-скомпенсированного антиферромагнетизма, которое состоит в том, что в кристалле суммарный самопроизвольный магнитный момент одной группы ионов (первая магнитная подрешетка) больше по величине, чем самопроизвольный момент другой группы ионов (вторая магнитная под­решетка), направленный антипараллельно магнитному моменту первой подрешетки. В этом случае вещество обладает избыточной, некомпен­сированной, самопроизвольной намагниченностью, т. е. способно сильно намагничиваться. Это явление иногда называют ферримагнетизмом.. К таким веществам, в частности, принадлежат ферриты.

В ферро- и антиферромагнитных веществах, помимо обменных сил, значительную роль играют также магнитные силы взаимодействия меж­ду атомами. Эти силы обуславливают магнитную анизотропию и маг-нитострикцию в кристаллах, что является важным свойством ферро-и антиферромагнитных веществ. Изучение характера обменных и маг­нитных сил в кристаллах ферро- и антиферромагнитных веществ спо­собствует развитию теории твердого состояния вещества.

Ниже мы попытаемся коротко охарактеризовать основные направ­ления в исследованиях по физике ферро- и антиферромагнетизма, ко­торым в настоящее время уделяется основное внимание как за рубе­жом, так и в нашей стране.

^ Исследование магнитных свойств новых видов ферро- и антиферро­магнитных веществ. В периодической системе элементов, кроме Fe, Ni, Co и, при некоторых условиях, Мп и Сг, ферромагнетизмом обладают ред­коземельные металлы Gd, Dy. Er, Tb, Но и Tu. Однако точки Кюри этих веществ (за исключением Gd) лежат значительно ниже комнатных температур. Интересной особенностью большинства редкоземельных ме­таллов является то, что в них, помимо ферромагнетизма, может суще­ствовать (в разных температурных интервалах) антиферромагнетизм. Так, Dy ниже 86—90° К находится в ферромагнитном состоянии, выше этой температуры он переходит в антиферромагнитное, а при 178° К — в парамагнитное состояние. Ряд других редкоземельных металлов (на­пример, Pr, Nd, Се и др.) обладает только антиферромагнетизмом, при­том в области очень низких температур.

Своеобразие магнитных свойств редкоземельных элементов опреде­ляется тем, что по сравнению с Fe и Ni они имеют иную электронную структуру. Если в элементах железной группы электроны с некомпен­сированными магнитными моментами, дающими основную часть само­произвольной намагниченности, находятся в Зй?-слоях электронной обо­лочки (причем эти электроны сильно взаимодействуют с Зй-электрона-ми соседних атомов), то в редкоземельных металлах электроны с не-скомпенсированными моментами содержатся в 4/-слоях, которые хо­рошо заэкранированы внешними электронами (5s и Ър). Поэтому пря-

^ ФИЗИКА НОВЫХ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ВЕЩЕСТВ 35

мое обменное взаимодействие между 4/-электронами соседних атомов в этом случае затруднено и здесь, по-видимому, должно иметь место так называемое косвенное обменное взаимодействие через электроны яроводимости. Это обстоятельство и. накладывает свой. одчедаток на магнитные свойства редких земелъных. металлов.

Большое значение имеет изучение магнитных свойств сплавов Gd, Dy, Tb, Рг, Nd, Eu и т. п. с другими металлами, в том числе Fe, Ni и Со. Многие из этих сплавов обладают ферро- или антиферромагнетизмом, а иногда тем и другим одновременно. Среди сплавов редкоземельных металлов особый научный интерес вызывает исследование сплавов, ко­торые при сверхнизких температурах одновременно обладают свойст­вами ферромагнетика и сверхпроводника (например, сплавы гадоли­ний— рутений или гадолиний — лантан).

В периодической системе элементов в отношении ферромагнетизма и антиферромагнетизма находится «на подозрении» группа элементов-актинидов, которые имеют в незаполненном 5f-слое электроны с не-скомпенсированными магнитными моментами. Однако до сих пор фер­ромагнетизм был установлен лишь в некоторых соединениях урана (например, в дейтриде урана).

Дальнейшее накопление данных, получаемых в результате изучения ферро- и антиферромагнетизма различных элементов периодической системы элементов, их сплавов и соединений, будет способствовать бо­лее глубокому пониманию сущности самопроизвольной намагниченно­сти и природы твердого состояния вещества, а также изысканию новых видов ферромагнитных материалов для техники.

^ Изучение структуры и магнитных свойств ферритов. Большую цен­ность для науки и техники представляет изучение структуры и магнит­ных свойств различных оксидных соединений металлов (Fe, Ni, Co, Mn, Сг) и группы редкоземельных металлов. Многие из этих со|единений обладают способностью сильно намагничиваться (ферриты), причем при­рода этого намагничивания антиферромагнитная (ферримагнетизм).

Несмотря на бурное внедрение ферритов в технику, многие особен­ности их структуры и магнитных свойств до конца еще не выяснены;. Наряду с изучением поликристаллических образцов ферритов, изготов­ляемых керамическим способом, особое внимание сейчас уделяется ис­следованию монокристаллических образцов ферритов, поскольку это позволяет быстрее и лучше разобраться в природе свойств таких ма­териалов. Исследование магнитных свойств монокристаллов ферритов представляет и немалый практический интерес, так как они обладают лучшими магнитными параметрами, чем соответствующие поликристалли­ческие образцы: малой шириной линии ферромагнитного резонансного поглощения и большим удельным вращением плоскости поляризации электромагнитной энергии, что важно для микроволновой радиотехни­ки, малым временем перемагничивания, благодаря чему они могут най­ти применение в быстродействующих счетно-решающих машинах.

Необходимо также изучать ферриты сложного состава и структуры. В настоящее время большое внимание уделяется исследованию магнит­ных свойств ферритов редкоземельных металлов и иттрия, обладающих структурой, изоморфной минералу гранату. Благодаря сложному анти­ферромагнитному взаимодействию магнитных моментов во многих из них имеет место весьма своеобразный температурный ход самопроиз­вольной намагниченности и сопутствующих эффектов (например, галь-ван-омагнитных, магнитострикции). При определенной температуре в ферритах Gd, Dy, Но и др. наблюдается исчезновение ферримагнитной намагниченности (точка компенсации) вследствие компенсации анти-

3*

36 ^ К. П. БЕЛОВ

параллельно направленных магнитных моментов ионов железа и соот­ветствующих моментов редкоземельных ионов. Изучение особенностей намагничивания этих ферритов способствует выяснению их антиферро­магнитной природы.

В теоретическом отношении весьма важное значение имеет изучение нового типа ферримагнетизма, который наблюдается в некоторых ред­коземельных окислах (обладающих структурой, изоморфной минералу перовскиту) и других соединениях переходных металлов, обнаруживаю­щих так называемый «слабый ферромагнетизм». Как это впервые де­тально изучено и объяснено советскими физиками, в данном случае он возникает за счет непараллельного (неколлинеарного) расположения магнитных моментов ионов в кристаллической решетке, в результате чего возникает отличная от нуля составляющая самопроизвольной на­магниченности. Неколлинеарное расположение магнитных моментов в решетке можно получить, воздействуя упругими напряжениями на антиферромагнитные вещества (например, на фториды Со и Мп). Вследствие искажения решетки возникает небольшая результирующая составляющая самопроизвольной намагниченности (пьезомагнитный эффект). Возможно появление этой составляющей при наложении на антиферромагнетик электрического поля.

Следует отметить еще одно интересное направление, в котором в настоящее время работают физики-магнитологи: синтезирование оксид­ных соединений и переходных элементов со структурой типа перовскита, обладающих одновременно ферромагнитными (или антиферромагнит­ными) и сегнетоэлектрическими свойствами.

Много внимания уделяется (особенно за рубежом) исследованиям дифракции нейтронов на ферритах и антиферромагнетиках. Эти иссле­дования позволяют определить так называемую магнитную структуру, т. е. с достоверностью выяснить расположение магнитных моментов ионов в кристаллической решетке упомянутых веществ.

Исследование ферромагнитного резонанса и магнитооптических явле­ний в ферритах. Изучение поведения ферритов в переменных магнитных нолях представляет не только научный, но и весьма большой техниче­ский интерес, так как все основные применения ферритов связаны с ис­пользованием их в переменных полях, особенно радиочастотных.

Выяснение механизмов магнитной релаксации, зависимости пара­метров ферромагнитного резонанса от магнитных и структурных особен­ностей ферромагнетиков и антиферромагнетиков способствует понима­нию природы ферро- и антиферромагнитного состояний вещества. Весьма актуальной теоретической и экспериментальной задачей являет­ся исследование природы магнитных потерь при ферромагнитном резо­нансе (проблема ширины линии резонансного ферромагнитного погло­щения). Знание причин, которые приводят к уширению резонансной линии поглощения, позволяет создать научные основы технологии по­лучения материалов, обладающих малыми магнитными потерями, в це­лях использования этих материалов в микроволновой радиотехнике (например, для устройств генерирования и усиления сверхвысоких частот на основе ферромагнитного резонанса). В последнее время об­ращается значительное внимание также на исследование физических явлений при) больших уровнях мощности радиочастотной энергии, «подаваемой» на феррит. Здесь возникают нелинейные эффекты, кото­рые связаны с появлением так называемых пороговых явлений, свиде­тельствующих о включении «в игру» различных групп спиновых волн.

По-прежнему всесторонне изучаются явления, связанные с враще­нием плоскости поляризации электромагнитной волны в ферритах

^ ФИЗИКА НОВЫХ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ВЕЩЕСТВ 37

(эффект Фарадея), так как на использовании этих явлений основана работа многих устройств в сверхвысокочастотной радиотехнике.

Немаловажное значение имеет также расширение частотного диапа­зона изучения магнитных явлений в ферритах. Приобретает актуаль­ность исследование резонансных явлений в диапазоне оптических частот инфракрасной и ультрафиолетовой областей. Как показано теоретически и экспериментально, здесь наблюдаются новые виды резонансов: об­менный (на длинах волн 5—40 ц,), спин-орбитальный (1—400 ц) и резо­нанс, связанный с электронными переходами (0,3—5 ц).

Изучение магнитооптических и резонансных явлений в ферритах редкоземельных элементов, обладающих структурой типа граната, представляет большой интерес для теории, поскольку магнитоопти­ческие эффекты связаны со свойствами отдельных подрешеток, а также имеет практическое значение для осуществления радиосвязи узкими лучами электромагнитных волн на очень высоких частотах.

^ Электрические и гальваномагнитные свойства и явления, связанные с электронной диффузией в ферромагнитных полупроводниках. Весьма важно детально изучить электрические и гальваномагнитные (включая эффект Холла) свойства ферритов, а также других полупроводниковых ферро- и антиферромагнетиков, ибо о природе проводимости этих ве­ществ мало что известно. Первоочередная задача заключается в выяс­нении влияния ферро- и антиферромагнетизма на носители электри­чества. Здесь проблема ферро- и антиферромагнетизма вступает в тесную связь с проблемой полупроводников.

Трудность создания теории проводимости ферро- и антиферромагнит­ных полупроводников состоит в том, что подвижность носителей элек­тричества в этих веществах в отличие от Ge и Si очень мала, вслед­ствие чего применение обычных зонных схем здесь затруднено. Кроме того, как показывают исследования гальваномагнитных явлений, про­водимости магнитных подрешеток в ферритах необходимо рассматри­вать, по-видимому, раздельно — по октаэдрическим и тетраэдрическим местам.

До сих пор при объяснениях проводимости ферритов применяется в основном так называемая схема Вервея, вводящая представление о диф­фузии электронов от двухвалентных ионов переходного элемента (Fe, Mn и др.) к трехвалентным. Однако она до сих пор носит гипотетический характер и требует дальнейшего уточнения и обоснования. Здесь боль­шую роль могут сыграть исследования механизма диффузии электро­нов в ферритах. Эта диффузия зависит от направления приложенного магнитного поля и упругих напряжений и обуславливает различные магнитные явления (магнитную сверхвязкость, эффекты при термомаг­нитной обработке, изменение характера магнитной анизотропии при так называемых низкотемпертурных превращениях, наблюдаемые в неко­торых ферритах, и др.).

Исследование электроннодиффузионных явлений наряду с изучением электрических и гальваномагнитных свойств (а также рентгеноспек-тральных и электронографических характеристик) ферро- и ангиферро-магнитных полупроводников будет способствовать выяснению структу­ры энергетического спектра электронов и характера распределения их плотности в изучаемых веществах. Приобретут, видимо, большое зна­чение исследования влияния нейтронного, электронного и других видов облучений на магнитные и электрические свойства ферро- и антиферро­магнитных веществ. Эти исследования также будут способствовать по­лучению данных о природе энергетического спектра электронов в ферро- и антиферромагнитных веществах.

38 ^ К. П. БЕЛОВ

Магнитные свойства тонких ферромагнитных пленок и порошков.

В последнее время большую актуальность приобрели исследования маг­нитных свойств очень тонких пленок (100—1000 А) и порошков как металлических ферромагнетиков, так и ферритов. Это объясняется тем, что материалы в виде тонких пленок и порошков обладают магнитными свойствами, существенными для техники.

Здесь прежде всего надо отметить изучение доменной структуры и ее влияния на процессы намагничивания и перемагничивания в подоб­ного типа материалах. Для этого используются разнообразные методы наблюдения доменной структуры (оптический, электрооптический, ме­тод порошковых осадок и др.). Благодаря применению кинематографи-рования удалось получить более детальные представления о закономер­ностях возникновения доменов и их изменений под действием магнит­ного поля, упругих напряжений и температуры. Оказывается, при определенных критических размерах тонких пленок и частиц поведение самопроизвольной намагниченности и их доменной структуры сильно изменяется (по сравнению с массивными ферромагнетиками), что при­водит к появлению у них необычных магнитных свойств. Так, в пленках перемагничивание осуществляется по прямоугольной петле с необычай­но малым временем (до 0,3-10-9 сек.), тогда как время для лучших образцов массивных ферритов на два-три порядка больше. Благодаря этому свойству тонкие ферромагнитные пленки (из сплавов Fe — Ni) являются весьма перспективными материалами для быстродействую­щих вычислительных машин. Прямоугольность петли гистерезиса тон­ких пленок есть следствие возникновения одноосной магнитной анизо­тропии в процессе напыления пленки на «подложку». Природа этого явления еще не выяснена.

Магнитные материалы, состоящие из конгломерата тонких ферро­магнитных частиц (однодоменная структура), обладают необычайно большой коэрцитивной силой. Изучение однодоменной структуры фер­ромагнетиков способствует созданию научной технологии приготовле­ния высокоэффективных постоянных магнитов из ферритов. Большая магнитная энергия и очень малые потери на вихревые индукционные токи позволяют использовать эти магниты в устройствах высокочастот­ной радиотехники.

*

Особое значение ферромагнитных материалов и магнитных явлений для многих ведущих отраслей современной техники требует присталь­ного внимания к этому разделу физики. Несмотря на то, что СССР при­надлежит первенство в разработке ряда направлений в области ферро­магнетизма (теории процессов технического намагничивания, магнето-динамики, термодинамического метода рассмотрения ферромагнитных явлений и др.), в настоящее время наблюдается некоторое снижение объема и темпов работ. Особенно это касается эксперимен­тальных исследований, а также разработки и внедрения достижений науки в промышленность. Между тем проблема ферромагнитных мате­риалов с полным основанием может быть отнесена к числу важней­ших для науки. Всесторонняя разработка ее будет способствовать ре­шению задач, связанных с дальнейшим техническим прогрессом СССР.

Похожие:




©fs.nashaucheba.ru НашаУчеба.РУ
При копировании материала укажите ссылку.
свазаться с администрацией