ФЕРРОМАГНЕТИК

ФЕРРОМАГНЕТИК

       

вещество, в к-ром ниже определённой темп-ры (Кюри точки 0) устанавливается ферромагн. порядок магнитных моментов атомов или ионов (в неметаллич. кристаллах) или магн. моментов коллективизир. электронов (в металлич. кристаллах; (см. ФЕРРОМАГНЕТИЗМ). Среди хим. элементов ферромагнитны переходные элементы Fe, Со и Ni (Зd-металлы) и редкоземельные металлы Gd, Tb, Dy, Но, Er, Tm (табл. 1).

Табл. 1. ФЕРРОМАГНИТНЫЕ МЕТАЛЛЫ

* Js0) — намагниченность ед. объёма при абс. нуле темп-ры.

** Точка перехода из ферромагн. в антиферромагн. состояние.

Для 3d-металлов и Gd характерна коллинеарная ферромагн. атомная структура, а для остальных редкоземельных Ф.— неколлинеарная (спиральная, циклоидальная и синусоидальная; (см. МАГНИТНАЯ СТРУКТУРА АТОМНАЯ). Ферромагнитны также многочисл. металлич. бинарные и более сложные (многокомпонентные) сплавы и соединения упомянутых металлов между собой и с др. неферромагн. элементами, сплавы и соединения Cr и Mn с неферромагн. элементами (Гейслеровы сплавы), соединения ZrZn2 и ZrxMl_x Zn2 (где М—это Ti,. Y, Nb или Hf, 0?x?1), Au4V, Sc3In и др. (табл. 2), а также нек-рые соединения группы актинидов (напр., UH3).

Табл. 2. ФЕРРОМАГНИТНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Особую группу Ф. образуют сильно разбавленные растворы замещения парамагн. атомов, напр. Fe или Со в диамагн. матрице Pd. В этих в-вах атомные магн. моменты распределены неупорядоченно (при наличии ферромагн. порядка отсутствует ат. порядок). Ферромагн. порядок обнаружен также в аморфных (метастабильных) металлич. сплавах и соединениях (см. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СТЁКЛА), в аморфных полупроводниках, в обычных органич. и неорганич. стёклах, халькогенидах (сульфидах, селенидах, теллуридах) и т. п. Число известных неметаллич. Ф. пока невелико. Это, напр., ионные соединения типа La1-x CaxMnO5 (0,4>x>0,2), EuO, Eu2SiO4, EuS, EuSe, EuI2, CrBr3 и т. п. У большинства из них точка Кюри лежит ниже 1 К. Только у соединений Eu, халькогенидов, CrB3 значение q=100 К.

Ф. по величине коэрцитивной силы Нс делятся на магнитно-мягкие и магнитно-жёсткие. Первые обладают малой Нс и значит. магнитной проницаемостью. Вторые имеют большие значения Нс и остаточной намагниченности Jr. Ф. играют огромную роль в самых разных областях совр. техники: магнитно-мягкие материалы используются в электротехнике (трансформаторы, электромоторы, генераторы и т. д.), в слаботочной технике связи и радиотехнике; магнитно-жёсткие материалы применяются для изготовления постоянных магнитов.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

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 см ³) 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): Сu₂ МnМ (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)и5d-(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 Т _C: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 Eu_1-xR_xO типа твёрдых растворов на основе моноокиси Еu с РЗМ (R - Sm, Gd); в частности, при х = 0,015 точка Кюри в Eu_1-xGd_xO и Eu_1-xSm_xO 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, CeSi_x при х<=1,85, CeSi₂__xGe_x, CeNi_xPt_1-x, Се _xLа ₁_ _хGе ₂.

По величине коэрцитивной силы Н _с все Ф. делятся на магнитно-мягкие и магнитно-твёрдые. Первые обладают малой Н _с и значит. магн. проницаемостью; вторые имеют большие значения Н _с и намагниченности остаточной M_r.

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.

Лит. см. при ст. Ферромагнетизм, а также: 1) Редкоземельные ферро- и антиферромагнетики. М., 1965; 2) Тейлор К., Дарби М., Физика редкоземельных соединений, пер. с англ., М., 1974; 3) Метфессель 3., Маттис Д., Магнитные полупроводники, пер. с англ., М., 1972; 4) Вамбуров В. Г., Борухович А. С., Самохвалов А. А., Введение в физикохимию ферромагнитных полупроводников, М., 1988; 5) Сверхпроводимость в тройных соединениях, под ред. Э. Фишера, М. Майпла, пер. с англ., т. 2. Сверхпроводимость и магнетизм, М., 1985; 6) Ирхин В. Ю., Кац-нельсон М. И., Проблема кондовских магнетиков, "Физ. мет. и металловед.", 1991, № 1, с. 16; 7) Amorphous magnetism, ed. by Н. О. Hooper, de A. M. Graaf, N. Y., 1973; 8) DIGESTS of Intermag-93, April 13-16, 1993, Stockh., Sweden; 9) International Conference on the Physics of Transition Metals, Darmstadt, 20-24, 1992, L., 1993.

С. В. Вонсовский.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.