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 см³) 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): Сu₂МnМ (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 Sc_0,762In_0,239 - Sc_0,753In_0,242) 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 m_B) сплава Fe-Со от концентра ции Со (в атомных %).

Рис. 2. Зависимость среднего атомного магнитного момента насыщения р (в единицах m_B) 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 m_B, 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 m_B при 5 К и 3,2 m_B 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 m_B;  -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 m_B на атом Fe в окружении атомов переходных 4d-(0)и 5d-(D)металлов в гипотетическом сплаве ОЦК FeT₇ (по теории Жакарино- Уокера).

Табл. 2.-Точки Кюри соединений редкоземельных металлов с ферромагнитными 3d-металлами