Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 7, стр. 933-935

Составы на основе RCo₅ представляют собой широкий класс магнитоупорядоченных веществ с высокими значениями намагниченности и констант магнитной анизотропии, многие из них рассматриваются как материалы для постоянных магнитов [1, 2]. Разбавление кобальтовой подрешетки p-элементами дает возможность широко варьировать температуры магнитного упорядочения этих составов, сохраняя при этом высокие значения намагниченности, что представляет интерес с точки зрения изучения магнитных эффектов, проявляющихся в районе критических температур, например, магнитокалорического эффекта [3, 4]. В данной работе приведены результаты исследования намагниченности и магнитокалорического эффекта составов NdCo_{5– x}Ga_x. Концентрация Ga подбиралась таким образом, чтобы варьировать температуры магнитного упорядочения исследуемых составов от 130 до 400 К, а сочетание Nd и Сo дает возможность получать составы с высокими значениями намагниченности вследствие ферромагнитного взаимодействия между редкоземельной и 3d-подрешетками.

Составы NdCo_{5– x}Ga_x (x = 1.1, 1.3, 1.5, 1.7) были синтезированы методом электродуговой плавки. Образцы были переплавлены три раза с последующим отжигом при 1070 К в течение 200 ч. По данным рентгеноструктурного анализа все составы являются однофазными и имеют гексагональную кристаллическую структуру типа CaCu₅ (пространственная группа P6/mmm). Однофазность составов контролировалось с помощью металлографии.

В работе проводились измерения намагниченности в полях до 12 кЭ в интервале температур от 78 до 450 K, в полях до 60 кЭ при 4.2 К, а также магнитокалорического эффекта прямым методом в интервале температур 78–400 К в полях до 13 кЭ.

Основные магнитные данные для исследованных составов приведены в табл. 1.

Температурные зависимости намагниченности демонстрируют типичное ферромагнитное поведение исследованных составов (см. рис. 1). Увеличение концентрации Ga приводит к сдвигу температуры Кюри в сторону низких температур. В образце NdCo_3.9Ga_1.1 на кривой намагниченности наблюдается две особенности. Предположительно на одной из температур происходит переориентация спинов вследствие конкуренции между положительной обменной энергией и энергией магнитной анизотропии, тогда как другая является температурой Кюри. Аналогичное поведение с переориентационным переходом наблюдалось ранее на близком составе NdCo₄Ga₁ [5].

Рис. 1.

Температурные зависимости: а – магнитокалорического эффекта составов NdCo_{5 –x}Ga_x в поле 13 кЭ; б – намагниченности составов NdCo_{5 –x}Ga_x в слабых магнитных полях.

Из кривых намагниченности в области температуры Кюри были рассчитаны зависимости Белова–Аррота, H/σ(σ²), линейный вид которых указывает на наличие фазовых переходов 2 рода.

Высокая анизотропия исследованных составов не дает возможности достичь полного насыщения кривых намагничивания при 4.2 К в полях до 6 Тл. Полученные значения спонтанной намагниченности μ_s при 4.2 К оказались заметно ниже ожидаемых значений намагниченности μ_ext, полученных из экстраполяции кривых μ(1/H) к нулю в области сильных полей.

Поскольку в данных составах обменная энергия между моментами Сo и Nd существенно выше величины расщепления кристаллическим полем [6], при низких температурах магнитный момент Nd можно считать приблизительно равным значению для свободного иона Nd: μ_Nd = gJ = 3.27 μ_B. Вследствие параллельной ориентации подрешеток Nd и Со магнитный момент, приходящийся на атом Co, рассчитывался как разность μ_e и μ_Nd, деленная на концентрацию Со. Видно, что введение Ga не только разбавляет подрешетку Co, но и приводит к резкому уменьшению магнитного момента на Co, что ранее наблюдалось при различных замещениях на p-элементы [3, 4].

Расчеты коэффициентов молекулярного поля, проведенные нами ранее для составов GdCo_5 – xGa_x, показали, что коэффициент n_RR, определяющий обменное взаимодействие в редкоземельной подрешетке, много меньше коэффициентов n_RT и n_TT, отвечающих за обмен между подрешетками и внутри 3d-подрешетки [4]. Кроме того, введение Ga практически не влияет на величину n_RT, но при этом сильно уменьшает n_TT. Таким образом, для данных составов температура Кюри пропорциональна квадрату магнитного момента на кобальте $\mu _{{{\text{Co}}}}^{{\text{2}}}.$ Полученная из наших и литературных данных [3–5, 7, 8] зависимость T_C$\left( {\mu _{{{\text{Co}}}}^{{\text{2}}}} \right)$ также представляет собой прямую (рис. 2).

Рис. 2.

Зависимости температуры Кюри составов NdCo_5 – xGa_x и GdCo_5 – xGa_x от квадрата магнитного момента, приходящегося на атом Co.

Линейная зависимость T_C$\left( {\mu _{{{\text{Co}}}}^{{\text{2}}}} \right)$ указывает на определяющий вклад подрешетки Co в обменное взаимодействие Co–Co. Обменное взаимодействие R–Co вносит небольшой вклад в температуру Кюри, что проявляется в том, что кривая T_C$\left( {\mu _{{{\text{Co}}}}^{{\text{2}}}} \right)$ не проходит через нуль. Смещение этой линейной зависимости по оси ординат обусловлено вкладом обменного взаимодействия R–Co.

Результаты измерения МКЭ прямым методом представлены на рис. 1а. Вначале понижение концентрации Ga приводит к значительному росту МКЭ. По-видимому, величина МКЭ сильно чувствительна к магнитному моменту на Co, который определяет обменное взаимодействие в этих составах. Однако при дальнейшем уменьшении концентрации возрастает роль магнитной анизотропии, которая приводит к спин-переориентационному переходу, в результате чего на кривой ΔТ наблюдаются два максимума, один из которых соответствует переориентационному переходу, а другой – температуре Кюри.

Таким образом, проведенные в работе исследования концентрационных зависимостей намагниченности и МКЭ показывают, что подрешетка Со определяет характер и температуру упорядочения данных составов. Разбавление подрешетки Со галлием приводит ${\text{к }}$ уменьшению температур магнитного упорядочения пропорционально квадрату магнитного момента на атоме кобальта и изменению величины МКЭ. Максимальное значение МКЭ обнаружено при концентрации Ga равной 1.3.

Работа поддержана грантом РФФИ № 16-02-00472.