КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 18-72-10098

НазваниеНовые тройные интерметаллические соединения RTX на основе редкоземельных металлов: экспериментальный поиск и теоретическое моделирование перспективных материалов

РуководительЛукоянов Алексей Владимирович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук, Свердловская обл

Срок выполнения при поддержке РНФ07.2018 - 06.2021

КонкурсКонкурс 2018 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-208 - Металлы. Сплавы. Неупорядоченные структуры

Ключевые словасоединения редкоземельных металлов, интерметаллиды, магнитные свойства, магнитокалорический эффект, электронная структура, оптические свойства, электронные корреляции, первопринципные расчеты, структурный беспорядок, синтез моно- и поликристаллов

Код ГРНТИ29.03.77


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Проекта направлен на получение и комплексное экспериментально-теоретическое исследование новых интерметаллических соединений RTX на основе редкоземельных металлов для выявления материалов, перспективных для практического применения их магнитных и магнитокалорических свойств. Планируется проведение исследований магнитных и спектральных (оптических) свойств, электронной структуры. Планируется провести синтез новых интерметаллических соединений GdTiSi - GdFeSi и GdFeAl – GdFeSi, провести изучение их структурных характеристик, спонтанного магнитного фазового перехода ферромагнетик - антиферромагнетик с изменением состава, определить температуру магнитных упорядочений, изучить кривых намагничивания, а также магнитокалорический эффект (МКЭ) в системе при магнитных фазовых переходах. Теоретические исследования зонной структуры соединений будут проводиться в рамках первопринципного подхода с использованием современных программных пакетов с учетом сильных электронных корреляций. В рамках первопринципных метоодов будет исследовано влияние возможных нестехиометрии и структурых дефектов на перечисленные спектральные и магнитные характеристики. Будет проведено теоретическое исследование стабильности различных типов ферромагнитного и антиферромагнитного упорядочений. Это позволит предположить возможный метамагнитный переход под действие магнитного поля. Проведенные экспериментальные и теоретические исследования позволят установлено, как соотносятся магнитные, структурные и спектральные параметры изучаемых соединений. Ожидается, что комплексное исследование позволит выявить корреляции и основные закономерности в зависимостях состава, кристаллической структуры, магнитных характеристик и электронной структуры, спектральных характеристик.

Ожидаемые результаты
Планируется провести синтез и экспериментально-теоретическое исследование магнитных, спектральных и электронных свойств новых соединений, синтезированных на основе редкоземельных и переходных металлов. В качестве объектов исследования запланированы перспективные для практики тройные соединения редкоземельных металлов. Будет проведен синтез новых интерметаллических соединений GdTiSi - GdFeSi и GdFeAl - GdFeSi, изучены их структурных характеристик, спонтанного магнитного фазового перехода ферромагнетик - антиферромагнетик с изменением состава, определить температуру магнитных упорядочений, изучить кривых намагничивания, а также магнитокалорический эффект (МКЭ) в системе при магнитных фазовых переходах. В данном проекте микроскопическая природа электронных и магнитных свойств этих материалов будет изучаться методами оптической спектроскопии, низкотемпературными измерениями магнитных характеристик, а также компьютерным моделированием при помощи современных методов зонных расчетов. Детальный анализ и сопоставление экспериментальных и теоретических результатов позволит исследовать поведение структурных, электронных, спектральных и магнитных свойств изучаемых соединений, что будет способствовать выявлению материалов с наиболее перспективными характеристиками. В антиферромагнитных составах вблизи концентрационного фазового перехода ферромагнетик - антиферромагнетик возможен метамагнитный фазовый переход (во внешнем магнитном поле) в ферромагнитное состояние. Будет изучен этот магнитный фазовый переход и построена магнитная фазовая диаграмма в плоскости «температура – поле». Для полученных образцов будут проведены оптические измерения. Из их результатов планируется определить диэлектрические функции и параметры электронов проводимости. На основе полученных экспериментальных данных в области межзонного поглощения будет проведен анализ влияния типа редкоземельного атома и замещающего элемента на электронную структуру. Для изучаемых соединений в рамках моделирования зонными методами с учетом сильных электронных корреляций будут впервые вычислены электронная структура, плотности электронных состояний, оптические проводимости, величины магнитных моментов и параметры обменных взаимодействий как для крайних составов GdTiSi и GdFeSi, так и случаев смешанных сплавов интерметаллидов в полном диапазоне концентраций Ti и Fe от 0 до 1. GdTiGe, TbTiGe и другие близкие интерметаллиды будут также рассмотрены в теоретических расчетах для определения магнитных характеристик и обменных параметров. Для теоретических расчетов будут использоваться экспериментальные данные о структуре кристаллов, позициях атомов и параметров кристаллической решетки образцов. Дополнительно будут определены величины параметров кулоновского и обменных параметров для всех составов. Будет исследовано влияние возможных нестехиометрии и структурых дефектов на перечисленные спектральные и магнитные характеристики с целью установления систематики в количественных и качественных изменениях. Для всех полученных экспериментально составов образцов будет проведено теоретическое исследование стабильности различных типов ферромагнитного и антиферромагнитного упорядочений. Это позволит предположить возможный метамагнитный переход под действие магнитного поля. Будут выявлены наиболее стабильные и ближайшие к ним по полной энергии типы магнитного упорядочения как дальнего порядка, так и выгодность реализации ближнего порядка в различных подрешетках. Для полученных образцов системы GdFeAl – GdFeSi в различных кристаллических структурах будут проведены оптические измерения. Из их результатов планируется определить диэлектрические функции и параметры электронов проводимости. На основе полученных экспериментальных данных в области межзонного поглощения будет проведен анализ влияния типа редкоземельного атома и замещающего элемента на электронную структуру. Для изучаемых соединений в рамках моделирования зонными методами с учетом сильных электронных корреляций будут впервые вычислены электронная структура, плотности электронных состояний, оптические проводимости, величины магнитных моментов и параметры обменных взаимодействий. Для всех полученных экспериментально составов образцов будет проведено теоретическое исследование стабильности различных типов ферромагнитного и антиферромагнитного упорядочений. В случае сплавов систем GdTiSi – GdFeSi и GdFeAl – GdFeSi будут предприняты попытки по увеличению значений МКЭ и корректировки TC в район комнатной температуры путем варьирования (нецелочисленного) содержания компонент или частичного замещения компонент с целью уменьшения числа 3d электронов или/и уменьшения расстояния между ионами Gd. Для полученных образцов систем GdTiSi – GdFeSi и GdFeAl – GdFeSi с нестехиометричесим содержания компонент или частичным замещение компонент будут проведены оптические измерения и вычислены электронная структура, плотности электронных состояний, оптические проводимости, величины магнитных моментов и параметры обменных взаимодействий. Более подробно ожидаемые результаты представлены в пункте 4.7.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Синтезированы новые интерметаллические соединения GdFe1-xTixSi, x=0-0.2 и GdTi0.05Fe0.95-xMnxSi, х=0-0.95 с тетрагональной структурой типа CeFeSi (P4/nmm). Установлено, что для GdFe1-xTixSi и GdTi0.05Fe0.95-xMnxSi с ростом содержания Ti и Mn, соответственно, решеточный параметр c быстро увеличивается, тогда как параметр a практически постоянен. Установлен сильный рост температуры Кюри TC от ~130 К до почти комнатной температуры в GdFe1-xTixSi. Для большинства составов GdTi0.05Fe0.95-xMnxSi TC находится в районе и выше комнатной температуры. Из анализа значений TC и параметров решетки сделан вывод, что электронный фактор, связанный с заполненностью 3d полосы, оказывает решающее влияние на величину TC в системах GdFe1-xTixSi и GdTi0.05Fe0.95-xMnxSi, по сравнению с межатомными расстояниями. Впервые изучены монокристаллы GdFe1-xTixSi и GdTi0.05Fe0.95-xMnxSi вдоль трех главных кристаллографических направлений кристаллов. Установлено, что направление легкого намагничивания для всех сплавов лежит в базисной плоскости, поле анизотропии максимально для GdFeSi и составляет 7 кЭ при 90 К. Установлено монотонное уменьшение намагниченности насыщения Мsat. в системе GdTi0.05Fe0.95-xMnxSi и неизменность Мsat. в GdFe1-xTixSi. Спад Мsat. в GdTi0.05Fe0.95-xMnxSi объясняется взаимно противоположной направленностью магнитных моментов ионов Gd и Mn. Постоянство Мsat. в системе GdFe1-xTixSi согласуется с отсутствием магнитного момента у ионов Fe и Ti в крайних сплавах системы. Обнаружен неожиданно резкий спад МКЭ в системах GdFe1-xTixSi и GdTi0.05Fe0.95-xMnxSi с составом, вызванный, скорее всего, неоднородностью сплавов замещения, которую можно попытаться уменьшить подбором соответствующего режима отжига. Рассчитана электронная структура и магнитные свойства всех синтезированных соединений. Исследованы условия реализации различных типов упорядочения магнитных моментов. Для учета сильных электронных корреляций 4f-электронов Gd был использован метод DFT+U. Измерены оптические свойства синтезированных образцов. По экспериментальным значениям этих параметров получены дисперсионные зависимости ряда спектральных функций. Получено хорошее согласие экспериментальных и вычисленных из первопринципных расчетов характеристик для межзонного вклада в оптическую проводимость. Дополнительно получена электронная структура тройных соединений DyRhSn и HoRhSn, определена стабильность магнитного основного состояния в этих тройных соединениях. Исследована электронная структура тройного интерметаллического соединения GdNiGe, близкого по составу к GdTiSi. Показано, что Gd состояния вносят существенный вклад в спектральные и магнитные свойства рассмотренных тройных соединений гадолиния, тогда как другие ионы обнаружены немагнитными в согласии с экспериментальными данными.

 

Публикации

1. Князев Ю.В., Лукоянов А.В., Кузьмин Ю.И., Гупта С., Суреш К.Г. Electronic structure of DyRhSn and HoRhSn compounds: band calculations and optical study European Physical Journal B, - (год публикации - 2019).

2. Саматам С.С., Патель А.К., Лукоянов А.В., Суреш К.Г. Revelation of spin glass behavior in Ru doped MnNiGe: experiment and theory Journal of Physics: Condensed Matter, 31, 125803 (2019) (год публикации - 2019).


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Синтезированы новые интерметаллические соединения GdFeAl1-xSix с х = 0-1. Параметры решеток для трех обнаруженных фаз уменьшаются с ростом содержания Si. Установлено увеличение намагниченности насыщения в системе GdFeAl1-xSix с х=0-1 по мере увеличения содержания Si. Известно, что железо магнитно в кубической и гексагональной фазах состава х=0 и немагнитно в тетрагональной фазе сплава х=1. Для всех синтезированных сплавов также проведены расчеты электронной структуры, оптических и магнитных характеристик. Первопринципные расчеты показали формирование магнитного момента у ионов Fe во всех фазах промежуточного состава, а также его уменьшение при увеличении содержания кремния в тетрагональной фазе. Так можно объяснить рост намагниченности насыщения, поскольку магнитный момент иона Fe ориентирован противоположно моменту иона Gd. Температура Кюри по мере роста содержания кремния увеличивается для гексагональной и кубической фаз в интервалах 275-281 К и 214-230 К, соответственно, и уменьшается для тетрагональной фазы от 155 до 130 К. Корреляция между температурой Кюри и параметрами решеток а и с для тетрагональной фазы (взаимно пропорциональны) противоположна случаю гексагональной и кубической фаз (обратно пропорциональны). Температура Кюри ферримагнитных гексагональной и кубической фаз могут расти с ростом х в случае уменьшения момента Fe в этих фазах и, следовательно, уменьшения энергии отрицательных обменных взаимодействий между ионами Fe и Gd. Для тетрагональной фазы подобные рассуждения не срабатывают (для нее температура Кюри падает и момент Fe, как минимум, не увеличивается с ростом х), возможно, из-за другой электронной структуры фазы вблизи уровня Ферми. Проведены дополнительные теоретические исследования тройных интерметаллидов семейства RTX, включая случаи легирования в подрешетках переходных металлов T и p-элементов X. Для синтезированных сплавов изучено изотермическое изменение магнитной энтропии (магнитокалорический эффект МКЭ) и оценено возможное максимальное значение МКЭ для каждой фазы, благодаря учету ее массовой доли. Установлено, что перспективными для создания однофазного сплава можно считать кубическую фазу в составе х=0 с МКЭ 2.3 Дж/кгК (в поле 17 кЭ) и температурой Кюри равной 210 К и гексагональную фазу в составах х=0-0.8 с МКЭ 1-2.6 Дж/кгК и температура Кюри в диапазоне 275-281 К. Полученные результаты исследований опубликованы в статьях или подготовлены к отправке в научные журналы, а также представлены на ведущих научных конференциях.

 

Публикации

1. Багласов Е.Д., Лукоянов А.В. Electronic structure of intermetallic antiferromagnet GdNiGe Symmetry, 11, 737 (2019) (год публикации - 2019).

2. Князев Ю.В., Лукоянов А.В., Кузьмин Ю.И., Гупта С., Суреш К.Г. Электронные и оптические свойства соединений RCuGe (R = Dy, Ho) Известия РАН. Серия физическая, 84, 9 (год публикации - 2020).

3. Князев Ю.В., Лукоянов А.В., Кузьмин Ю.И., Мухачев Р.Д., Гупта С., Суреш К.Г. Электронные состояния и оптические спектры соединений ErSn1.1Ge0.9 и TmSn1.1Ge0.9 Физика Металлов и Металловедение, 121, 6, 594-600 (год публикации - 2020).

4. Кучин А.Г., Платонов С.П., Гавико В.С., Яковлева М.Ю. Magnetic properties of the GdFeSi - GdTiSi solid solutions Journal of Physics: Conference Series, 1389, 012128 (год публикации - 2019).

5. Кучин А.Г., Платонов С.П., Гавико В.С., Яковлева М.Ю. Magnetic and structural properties of GdFe1-xTixSi IEEE Magnetics Letters, 10, 2509204 (год публикации - 2019).