Ферромагнетик - вещество, в к-ром ниже определ. температуры (Кюри точка ТC)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 ТC, атомный магн. момент Mат
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 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 функций 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 температурах ~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
температуре [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)и 5d-(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
ТC: 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, СеxLа1_хGе2.
По величине коэрцитивной
силы Нс все Ф. делятся на магнитно-мягкие и магнитно-твёрдые.
Первые обладают малой Нс и значит. магн. проницаемостью; вторые
имеют большие значения Нс 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.
С. В. Вонсовский.