Нейтронна спектроскопія низькоенергетичних станів 4f-електронів в сполуках церію та неодиму з алюмінієм

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ІНСТИТУТ ФІЗИКИ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата

фізико-математичних наук

НЕЙТРОННА СПЕКТРОСКОПІЯ НИЗЬКОЕНЕРГЕТИЧНИХ СТАНІВ 4f-ЕЛЕКТРОНІВ В СПОЛУКАХ ЦЕРІЮ ТА НЕОДИМУ З АЛЮМІНІЄМ

Василькевич Олександр Антонович

УДК 539.21

01.04.07 фізика твердого тіла

Київ 1998

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в НЦ “Інститут ядерних досліджень” НАН України

Науковий керівник

доктор фіз.-мат. наук Слісенко Василь Іванович,

НЦ “ІЯД” НАН України, завідувач відділу

Офіційні опоненти: доктор фіз.-мат. наук, професор

Гнатенко Юрій Павлович,

ІФ НАН України, завідувач відділу

доктор фіз.-мат. наук, старший науковий співробітник

Дзюблик Олексій Ярославович, НЦ “ІЯД” НАН України, провідний науковий співробітник

Провідна установа

Фізичний факультет Київського університету ім.Тараса Шевченка, м.Київ.

Захист відбудеться “ 26 ” листопада 1998р. о 1430 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради № Д26.159.01 при Інституті фізики НАН України за адресою: 252650, ГСП, м.Київ22, пр. Науки, 46.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики НАН України за адресою: 252650, ГСП, м.Київ22, пр. Науки, 46.

Автореферат розісланий “ 21 ” жовтня 1998 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Іщук В.А.

нейрон іон електричний

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

А к т у а л ь н і с т ь т е м и. Фундаментальні дослідження рідкісноземельних (РЗ) елементів та сполук на їх основі, і зокрема інтерметалічних сполук, повязані з прикладними задачами, оскільки ці матеріали знайшли широке використання в останні 20-30 років у чорній металургії та металургії спеціальних сплавів, лазерній та авіаційній техніці. Застосовуються вони в ядерній технології та як накопичувачі водню, а також при конструюванні постійних магнітів з рекордними параметрами і т.д. Сполуки РЗ-елементів з алюмінієм завдяки їх легкості, високій корозійній стійкості і міцності знаходять широке застосування в різних областях нової техніки.

Одним із чинників, які обумовлюють різноманітні і часто унікальні властивості сполук РЗ-елементів, є взаємодія електронів незаповненої 4f-оболонки з кристалічним електричним полем (КЕП). Ця взаємодія значно менша спін-орбітальної взаємодії і зводиться до зняття виродження основного мультиплету РЗ-іону за повним моментом J. В результаті цього основний мультиплет розщеплюється на ряд рівнів (рівні КЕП). Конкретний характер розщеплення визначається симетрією КЕП, його величиною та числом 4f-електронів.

Виникнення тонкої структури основного мультиплету зумовлює аномальну поведінку магнітних, термодинамічних та електричних властивостей РЗ-сполук (парамагнетизм Ван-Флека, аномалія Шотткі, додатковий електричний опір).

Ефекти, повязані із взаємодією 4f-електронів з КЕП, досить детально вивчені в солях РЗ-елементів, тоді як по відношенню до металів це питання довгий час залишалось дискусійним, оскільки наявність в них електронів провідності (ЕП) блокувала використання традиційних методів досліджень. І тільки застосування методу нейтронної спектроскопії дозволило виявити і систематично вивчати ефекти КЕП в інтерметалічних сполуках РЗ-елементів. На сьогоднішній день ця область фізики твердого тіла інтенсивно досліджується, але не дивлячись на це, ряд принципових проблем, в тому числі проблема ролі ЕП у формуванні КЕП в металах, ще не вирішені. Тому актуальними залишаються дослідження інтерметалічних сполук і особливо сполук з орторомбічною точковою групою симетрії РЗ-іону, оскільки системи з високою симетрією КЕП, головним чином, вивчені.

З іншого боку, деякі із сполук церію за своїми властивостями не мають аналогів і розглядаються останнім часом як принципово новий клас металічних речовин. Це так звані концентровані кондо-системи (ККС). Визначальна роль у формуванні їх унікальних властивостей належить сильній взаємодії 4f-електронів з ЕП (sf-взаємодія), яка через кондовські флуктуації спіну (КФС) приводить до компенсації ефективного магнітного моменту іону Ce3+ і, отже, до послаблення непрямої взаємодії між РЗ-іонами. Внаслідок цього ряд ККС втрачає здатність до магнітного впорядкування (немагнітні кондо-гратки), хоча основний стан є магнітним.

Основним методом при дослідженні ефектів, зумовлених обома видами взаємодії 4f-електронів в металах, є метод непружного розсіяння нейтронів (НРН). Наявність у нейтронів магнітного моменту і відповідних енергій сприяла становленню та виділенню їх як окремого, потужного методу досліджень кристалічної та магнітної структур, динаміки конденсованого стану речовини. Ефективним цей метод, а саме метод непружного розсіяння нейтронів, виявився при вивченні низькоенергетичних станів 4f-електронів в інтерметалічних сполуках рідкісноземельних елементів, де він має принципову перевагу перед іншими методами (оптичними, ЕПР, ефектом Месбауера), яким в цьому відношенні властиві досить жорсткі обмеження.

Джерелом повільних нейтронів в наших експериментах був реактор ВВР-М НЦ “ІЯД” НАН України, якому властивий максвеллівський розподіл нейтронів за енергією з максимумом поблизу 70меВ. В експериментах з НРН використовувались монохроматичні нейтрони з енергією 13меВ (2,5 ).

Необхідно відзначити, що дослідження ефектів КЕП методом НРН в Україні проводяться виключно в НЦ “ІЯД”.

З вя з о к р о б о т и з н а у к о в и м и т е м а м и. Дослідження, на яких грунтується дисертаційна робота, виконані в плановому порядку за науковими темами НАН України: “Кристалічні електричні поля в сплавах на основі рідкісноземельних елементів” (19861990рр.), №держ.реєстр. 01.86.0.059817; “Динаміка гратки і кристалічні поля систем з високотемпературною надпровідністю” (19911994рр.), №держ.реєстр. 01.91.0033643; “Дослідження динаміки перерізів взаємодії швидких нейтронів з парно-парними ядрами та механізмів цих взаємодій” (19941997рр.), №держ. реєстр. 0194U001934.

М е т а і з а д а ч і д о с л і д ж е н н я. Дисертаційна робота присвячена дослідженню методом НРН енергетичної структури основного мультиплету і іонів Nd3+ і Ce3+ в інтерметалічних сполуках з орторомбічною (Nd2Al, NdAl, Nd3Al11, CeAl, Ce3Al11) та гексагональною (Ce3Al) точковими групами симетрії РЗ-іону. Сполуки CeAl, Ce3Al11 і Ce3Al належать до ККС. Обєкти досліджень вибирались таким чином, щоб мати можливість виявити вплив заміни РЗ-іону на розщеплення основного мультиплету в межах ізоструктурної групи, оскільки раніше методом НРН досліджувалось кристалічне поле в сполуках PrxAly з аналогічною точковою групою симетрії іону Pr3+.

Виконання роботи передбачало вирішення ряду задач:

одержання спектрів НРН на сполуках CexAly і NdxAly;

проведення на основі спектрів НРН розрахунків тонкої структури основного мультиплету іонів церію та неодиму в КЕП досліджуваних сполук;

визначення впливу рівнів КЕП на макроскопічні властивості сполук CexAly і NdxAly;

дослідження КФС в сполуках CexAly та їх впливу на магнітні властивості цих ККС;

виявлення впливу sf-взаємодії на КЕП.

Н а у к о в а н о в и з н а о д е р ж а н и х р е з у л ь т а т і в. Вперше проведено систематичне дослідження тонкої структури основного мультиплету і іонів Nd3+ і Ce3+ в інтерметалічних сполуках Nd2Al, NdAl, Nd3Al11, CeAl, Ce3Al11 з орторомбічною і Ce3Al з гексагональною точковими групами симетрії РЗ-іону.

Вперше для концентрованих кондо-систем виявлено температурне зміщення рівнів КЕП. Цей ефект має місце в Ce3Al.

Вперше експериментально показано існування в Ce3Al двох типів КФС повільних та швидких.

Вперше експериментально встановлено, що флуктуації спіну в CeAl, Ce3Al11, Ce3Al зумовлюють зменшення магнітної сприйнятливості.

Одержані результати дозволяють сформулювати ряд основних положень:

Величина енергії повного розщеплення основного мультиплету РЗ-іону зростає з пониженням симетрії КЕП і збільшенням хвильового вектора Фермі та зменшенні повного моменту кількості руху.

Сильна sf-взаємодія в концентрованих кондо-системах справляє “антиекрануючий” вплив на КЕП.

Кондовські флуктуації спіну в ККС приводять до зменшення їх магнітної сприйнятливості.

Н а у к о в а і п р а к т и ч н а з н а ч и м і с т ь. Експериментальні результати, які подаються в роботі, відкривають нові перспективи у використанні нейтронної спектрометрії. Вони сприятимуть більш глибокому розумінню особливостей розщеплення основного мультиплету РЗ-іону в металах з орторомбічною симетрією КЕП і створенню реалістичної теорії кристалічного поля, в якій би враховувались кулонівський та обмінний внески електронів провідності, що є центральною проблемою у вивченні природи КЕП в металах.

Одержані схеми рівнів основного мультиплету дозволяють виявити вплив КЕП на макроскопічні фізичні властивості досліджуваних сполук в межах ізоструктурних груп і до певної міри прогнозувати ці властивості при розробці нових матеріалів.

Виявлений взаємовплив взаємодії 4f-електронів з ЕП та з КЕП і обмінною взаємодією між РЗ-іонами в ККС стимулюватимуть нові експериментальні роботи для систематичного вивчення цих ефектів.

О с о б и с т и й в н е с о к з д о б у в а ч а. Автор дисертаційної роботи брав безпосередню участь в розробці теми, постановці і проведенні експериментів з НРН, розрахунках та аналізі одержаних результатів, формулюванні висновків та написанні статей, доповідей, тезів.

Досліджуванні зразки були виготовлені в Київському університеті ім. Тараса Шевченка.

Експериментальні дослідження питомої теплоємності проведено в Ужгородському державному університеті.

А п р о б а ц і я р е з у л ь т а т і в д и с е р т а ц і ї. Основні результати роботи доповідались на щорічних наукових конференціях НЦ “ІЯД” НАН України (19941996рр.); ХІ Всесоюзній нараді з використання нейтронів у дослідженнях фізики твердого тіла (Гатчина, 1991р.); міжнародній конференції “Фізика в Україні” (Київ, 1993р.); міжнародній конференції “Благородні та рідкісноземельні метали” (Донецьк, 1994р.); міжнародному семінарі “Фізика магнітних явищ”, (Донецьк, 1994р.).

П у б л і к а ц і ї. За матеріалами дисертації опубліковано 18 друкованих праць в зарубіжних, вітчизняних журналах, збірниках і матеріалах наукових конференцій та семінарів. Список основних публікацій наведено в кінці автореферату.

С т р у к т у р а т а о б є м р о б о т и. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків та списку використаних джерел, що містить 196 посилань. Вона викладена на 176 сторінках машинописного тексту, включаючи 49 рисунків і 9 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкривається стан проблеми досліджень, обгрунтовується актуальність теми, формулюється мета і основні задачі роботи, визначається її новизна та практична значимість.

В першому розділі подається елементарна теорія КЕП, коротко розглядаються інші модельні уявлення про кристалічне поле.

Елементарна теорія КЕП грунтується на припущенні, що кристалічне поле має симетрію кристалічної гратки поблизу вузла, зайнятого РЗ-іоном. Це дозволяє обмежити число членів при розкладі потенціалу КЕП за сферичними функціями. Оскільки для РЗ-елементів досить добре виконується наближення слабкого КЕП, то мультиплети цього поля характеризуватимуться квантовим числом . Цей факт дозволяє перейти, з метою спрощення розрахунків, до зображення. Остаточно гамільтоніан КЕП матиме вигляд

, (1)

де еквівалентні оператори Стівенса;

феноменологічні параметри КЕП.

Матричні елементи операторів протабульовані для всіх значень J, властивих РЗ-іонам, тому визначенню (теоретично або експериментально) підлягають параметри КЕП . Число членів в (1) в свою чергу обмежується симетрією кристалічного поля. Зокрема, при наявності вісі симетрії другого порядку та центра інверсії у виразі (1) залишатимуться тільки члени з парними індексами n і m. Тому у випадку гексагональної точкової групи симетрії РЗ-іону і J=5/2 (іон Ce3+) гамільтоніан (1) має вигляд

. (2)

З переходом до КЕП орторомбічної симетрії, число членів в (1) при тому ж значенні J зростає до пяти

. (3)

Для КЕП цієї ж симетрії та J=9/2 (іон Nd3+) в гамільтоніані (1) зявляються ще чотири члени шостого порядку.

Елементарна теорія КЕП широко використовувалась для інтерпретації експериментальних даних, одержаних для ізоляторів. Застосування її до металів зустрілось з певними труднощами, основними з яких є коректне визначення внеску в потенціал КЕП електронів провідності. В цьому відношенні систематичні експериментальні дослідження в ряду ізоструктурних груп сприятимуть створенню теорії КЕП металів.

В розділі розглядається також метод непружного розсіяння нейтронів, показано, що детальну інформацію про рівні КЕП дає подвійний диференційний переріз (ПДП), одержаний в дипольному наближенні



, (4)

де = вектор розсіяння;

F() магнітний формфактор;

=Е0 Е1 зміна енергії нейтрона в процесі розсіяння;

, Е0 і , Е1 хвильові вектори та енергії падаючого і розсіяного нейтронів відповідно;

Р(,) і Р( nm, ) спектральні функції відповідно пружного та непружного розсіяння нейтронів, а і їх півширини;

nm=ЕnEm;

сприйнятливість Кюрі m-го рівня;

сприйнятливість Ван-Флека, зумовлена переходами між рівнями КЕП з енергіями Еn і Em.

Визначаються ці сприйнятливості наступним чином

, (5)

, (6)

де фактор заселеності m-го рівня;

J компонента оператора повного моменту кількості руху, перпендикулярна вектору розсіяння .

Вираз (4) це набір піків, положення яких відповідає різниці енергії nm рівнів n і m, між якими дозволені магнітодипольні переходи. Квадрати матричних елементів описують імовірність переходів і, отже, їх інтенсивність. Порівнюючи ПДП, розрахований за (4) з експериментальним, можна визначити енергії та хвильові функції станів 4f-електронів. В цьому розумінні метод НРН є прямим методом дослідження енергетичної структури основного мультиплету РЗ-іону в КЕП.

В розділі приведено короткий огляд результатів експериментальних досліджень КЕП методом НРН в інтерметалічних сполуках РЗ-елементів з алюмінієм. Як випливає з огляду, в більшості робіт обєктами досліджень були сполуки з кубічною та гексагональною симетрією кристалічної гратки. В той же час мало вивчено КЕП з низькою симетрією.

В останніх двох підрозділах першого розділу розглянуто характерні властивості концентрованих кондо-систем та результати нейтронних досліджень КФС в ККС.

В другому розділі описуються експериментальні установки, на яких проводились дослідження. Основні результати були одержані на багатодетекторному спектрометрі за часом прольоту, встановленому на 1-му горизонтальному каналі атомного реактора ВВР-М НЦ “ІЯД” НАН України. Для атестації зразків досліджуваних сполук використовувався тривісний кристалічний спектрометр KSN2, розміщений на 4-му горизонтальному каналі реактора ВВР-М.

Подається методика визначення власних енергій та власних хвильових функцій рівнів КЕП на основі нейтронних спектрів. Схема розрахунків наступна: для деякого вихідного набору параметрів гамільтоніану КЕП розвязується вікове рівняння

, (7)

де матричні елементи гамільтоніану КЕП відповідної симетрії в базисі хвильових функцій РЗ-іону незбуреного стану;

Мпроекція повного моменту кількості руху на вісь Z.

Одержані власні значення енергії та власних хвильових функцій далі використовуються для розрахунків ПДП (4). Після чого за спеціальною процедурою здійснюється перехід до нейтронного спектра за часом прольоту. Зміною параметрів добиваємось задовільного збігу обох спектрів. Критерієм при цьому служить середнє квадратичне відхилення розрахункового спектра від експериментального. Методика розрахунків реалізована у вигляді пакета фортранівських програм.

Описані фізичні параметри обєктів досліджень та технологія їх виготовлення.

В третьому розділі детально аналізуються спектри НРН на сполуках NdxAly і CexAly. Приводяться оптимальні набори параметрів гамільтоніану КЕП та схеми рівнів основного мультиплету в досліджуваних сполуках. Розрахунки енергетичної структури мультиплету іону Nd3+ в сполуках NdxAly проводились з використанням виразу для ПДП (4), в якому береться до уваги тільки взаємодія 4f-електронів з КЕП. Присутність же в нейтронних спектрах CexAly квазіпружних ліній свідчить про наявність в цих сполуках КФС, які в свою чергу обумовлені сильною взаємодією 4f-електронів з ЕП. Тому по відношенню до цих сполук вираз (4) був дещо модифікований

, (8)

де В і Р(,) інтенсивність та спектральна функція квазіпружної лінії;

ширина спектральної функції на половині висоти.

Величина n показує на скільки ліній розкладена квазіпружна частина спектра. Для Ce3Al11 і CeAl задовільне узгодження розрахункового та експериментального спектрів мало місце уже при n=1, тоді як для Ce3Al цього вдалося досягти тільки при n=2. Спектральні функції Pnm в (4) апроксимувались гауссіаном, а Р в (8) лоренціаном . В та півширини , , розглядались незалежними і разом з були підгоночними параметрами.

Рис.1.Спектри НРН на Ce3Al. Штрихові лінії 1 і 2 внесок квазіпружного розсіяння нейтронів; 3 розсіяння нейтронів на фононах.

На рис.1 показано спектри НРН під кутом =25,1 на Ce3Al для двох температур зразка 100 і 300К. В спектрі Ce3Al при 100К на фоні квазіпружного розсіяння спостерігається два непружних піка, повязані з переходами між рівнями КЕП. Максимуми цих піків знаходяться поблизу енергій 3 і 9 меВ. Підвищення температури зразка приводить до зміщення обох піків у бік малих енергій і при 300К вони вже виділяються поблизу 1,9 і 6 меВ відповідно. Тобто має місце ефект температурного зміщення рівнів КЕП, якими в даному випадку є дублети Г8 і Г9. Необхідно відзначити, що цей ефект для ККС виявлено вперше. Для сполуки Ce3Al несподіваними виявились ще два факти. Це, по-перше, вище згадане зміщення дублетів Г8 і Г9 супроводжується одночасним зменшенням півширини непружних переходів, тоді як для ККС виконується співвідношення Т1/2, де деяка постійна. По-друге, це присутність в спектрах цієї сполуки, на відміну від інших ККС, двох квазіпружних ліній (штрихові лінії 1 і 2 на рис.1), півширини яких відрізняються майже на порядок, що вказує на існування в Ce3Al двох типів КФС повільних і швидких з часом релаксації /1 і /2 відповідно.

Рис.2.Схема рівнів основного мультиплету іону Ce3+ і іону Nd3+ відповідно сполук CexAly і NdxAly.

Одержані на основі нейтронних спектрів схеми рівнів основного мультиплету в сполуках NdxAly і CexAly приведені на рис.2. Беручи до уваги наявну інформацію для сполук церію і неодиму з алюмінієм з кубічною та гексагональною точковою групою симетрії РЗ-іону, можна стверджувати, що величина енергії повного розщеплення зростає при пониженні симетрії і зменшенні повного моменту J.

В четвертому розділі проводиться аналіз параметрів , які характеризують чисто КЕП і обчислюються, виходячи з : . Зведені матричні елементи протабульовані для всіх значень J. Відомі також радіальні інтеграли від хвильових

функцій 4f-електронів і коефіцієнти сферичних функцій . Аналіз показує, що на відміну від сполук PrxAly з орторомбічною симетрією КЕП, де параметри лінійно залежать від концентрації ЕП ne в елементарній комірці, у досліджуваних сполук, а саме NdхAlу, аналогічна залежність спостерігається тільки для параметрів , , , , , .

Оскільки градієнт КЕП в місці знаходження 4f-оболонки повязаний з параметром співвідношенням

, (9)

де е заряд електрону, то з одержаних значень випливає, що градієнт VZZ зменшується з ростом концентрації ЕП ne при переході від CeAl до Ce3Al11 і від Nd2Al до Nd3Al11. Необхідно відзначити, що у сполук NdxAly ця зміна градієнта залишається в межах експериментальної похибки.

В ізоструктурних рядах REAl і RE3Al11 (RE=Ce, Pr, Nd) концентрація ЕП зростає на 2,3%, а VZZ при цьому збільшується на 44%. Тобто вплив ЕП на потенціал КЕП не зводиться тільки до екранування. Тут, очевидно, має місце як прямий кулонівський так і обмінний внески ЕП в КЕП і їх баланс визначає величину кристалічного поля.

Результати нейтронних експериментів дозволяють визначити внесок тонкої структури в теплоємність (теплоємність Шотткі СШ) та магнітну сприйнятливість (сприйнятливість Ван-Флека) досліджуваних сполук. На рис.3 суцільною лінією показана температурна залежність теплоємності Шотткі NdAl, розрахована на основі схеми рівнів енергії основного мультиплету. Кружки експериментальні значення СШ, одержані калориметричним методом. Розрахункова теплоємність Шотткі, як бачимо, добре узгоджується з експериментальною, що підтверджує близькість одержаної схеми рівнів до реальної.

Рис.3.Теплоємність Шотткі сполуки NdAl.

Порівняння розрахункової сприйнятливості з експериментальною для сполук CexAly дозволило виявити вплив на останню КФС.

У звичайних 4f-металів магнітна сприйнятливість в наближенні молекулярного поля описується виразом

, (10)

де сприйнятливість системи невзаємодіючих РЗ-іонів (сприйнятливість Ван-Флека);

постійна молекулярного поля.

Згідно з (10) обернена магнітна сприйнятливість 1/(Т) повинна проходити паралельно, але у феромагнетиків вище (тобто >0), а у антиферомагнетиків нижче (<0) експериментальної 1/(Т).



Рис.4. а обернена магнітна сприйнятливість Ce3Al; б температурна залежність ефективного магнітного моменту eff іону Ce3+ в Ce3Al.

На рис.4а приведена температурна залежність оберненої магнітної сприйнятливості Ce3Al. Кружки результати дослідження сприйнятливості 1/(Т) методом Фарадея. Суцільна лінія розрахункова обернена магнітна сприйнятливість. Як видно з рисунка, протягом всього інтервалу температур (4300К) 1/(Т)>1/(Т) і вище 50К досить добре описується виразом (10) з = 35 моль/емо. Тобто цій сполуці властива антиферомагнітна поведінка сприйнятливості. Дивним тут є те, що в ній взагалі не виявлено переходу в магнітовпорядкований стан. Причиною, що зумовлює зменшення сприйнятливості реальної ККС по відношенню до сприйнятливості системи невзаємодіючих РЗ-іонів є КФС, які приводять до компенсації ефективного магнітного моменту eff іону Ce3+. Дійсно, магнітний момент, розрахований як , прямує до нуля при Т0 (рис.4б), що характерно для немагнітної кондо-гратки (НКГ).

Інтересною також є поведінка магнітної сприйнятливості сполук Ce3Al11 і CeAl. На рис.5а і 6а наведена температурна залежність їх оберненої сприйнятливості. Як і у випадку з Ce3Al, тут 1/(Т)>1/(Т). Проте це має місце лише до певної температури Т=15К у Ce3Al11 і 70К у CeAl, нижче якої 1/(Т)<1/(Т). Крім того, для обох сполук спостерігається відхилення від паралельного ходу 1/(Т) і 1/(Т), що не дозволяє описати їх виразом (10).

Рис.5. а обернена магнітна сприйнятливість Ce3Al11; б температурна залежність ефективного магнітного моменту eff іону Ce3+ в Ce3Al11.

Рис.6. а обернена магнітна сприйнятливість CeAl; б температурна залежність ефективного магнітного моменту eff іону Ce3+ в CeAl.

Оскільки Ce3Al11 і CeAl при 10К переходять відповідно в феромагнітний і антиферомагнітний стан, то таку поведінку їх сприйнятливості можна пояснити лише беручи до уваги sf-взаємодію. Блокування цієї взаємодії RKKY-взаємодією спричиняє перехід від 1/(Т)>1/(Т) до 1/(Т)<1/(Т). Це досить добре проявляється в температурній залежності eff. З пониженням температури, як і у Ce3Al, eff зменшується, але досягнувши мінімального значення при Тmin=25К у Ce3Al11 (див. рис.5б) і 80К у CeAl (рис.6б), збільшується при подальшому зниженні температури. Таким чином, температурний інтервал у цих сполук розбивається на дві частини. В першій (Т>Tmin) ефективний момент має характерну для НКГ поведінку, тобто тут домінує sf-взаємодія. В другій частині (Т<Tmin) переважає RKKY-взаємодія.

В останньому підрозділі четвертого розділу аналізується вплив sf-взаємодії на КЕП в Ce3Al. Показано, що цей вплив має “антиекрануючий” характер.

ВИСНОВКИ

Вперше методом непружного розсіяння нейтронів досліджено кристалічне електричне поле в інтерметалічних сполуках Nd2Al, NdAl, Nd3Al11, CeAl, Ce3Al11 з орторомбічною і Ce3Al з гексагональною точковими групами симетрії РЗ-іону. На основі одержаних спектрів НРН розрахована енергетична структура основного мультиплету іону Nd3+ і іону Ce3+. Енергія повного розщеплення дорівнює 20,8; 19,3; 13,9 меВ відповідно у сполук Nd2Al, NdAl, Nd3Al11 і 38,7; 19,6 меВ у CeAl, Ce3Al11 відповідно.

Вперше для концентрованих кондо-систем виявлено ефект температурного зміщення рівнів КЕП. Він має місце в сполуці Ce3Al. При пониженні температури від 300 до 100К величина енергії повного розщеплення тут зростає від 6,5 до 8,6 меВ.

Аналіз одержаних і наявних результатів для сполук церію, празеодиму і неодиму з алюмінієм показує, що величина енергії повного розщеплення зростає з пониженням симетрії КЕП і збільшенням вектора Фермі та зменшенні повного моменту кількості руху.

Визначені внески тонкої структури основного мультиплету РЗ-іону в питому теплоємність і магнітну сприйнятливість досліджуваних сполук. Вперше експериментально встановлено, що кондовські флуктуації спіну в сполуках CeAl, Ce3Al11, Ce3Al зумовлюють зменшення їх магнітної сприйнятливості. В Ce3Al цей ефект спостерігається протягом всього досліджуваного інтервалу температур, тоді як в сполуках Ce3Al11 і CeAl він має місце тільки до температури Т=15K і 70К відповідно. Інтенсивніше в порівнянні з Ce3Al11 блокування КФС RKKY-взаємодією в CeAl пов`язано з першим збудженим рівнем енергії , низьке (2,3меВ) розміщення якого сприяє індукуванню основному стану додаткового магнітного моменту.

Підвищений вміст іонів Ce3+ в концентрованій кондо-системі Ce3Al приводить до появи інтенсивної сильної sf-взаємодії, вплив якої на КЕП в цій сполуці має “антиекрануючий” характер. Посилення цієї взаємодії в процесі пониження температури обумовлює ріст енергії дублетів Г8 і Г9.

Встановлено, що в Ce3Al, на відміну від CeAl і Ce3Al11, відбуваються два типи кондовських флуктуацій спіну швидкі та повільні з часом релаксації, який дорівнює відповідно 2,21013с та 2,11012с при 100К і 1,71013с і 1,61012с при 300К. Повільні КФС повязані з 4f-електронами, тоді як швидкі з електронами провідності, які знаходяться в квазізвязаному стані з іоном церію і утворюють навколо нього “кондовську хмарину”.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В РОБОТАХ:

1. Иваницкий П.Г., Слисенко В.И., Василькевич А.А., Кротенко В.Т., Майстренко А.Н. Средневзвешенная плотность фононных состояний соединений лантана с алюминием УФЖ.1991.36, №2.С.291292.

2. Участь в розробці та проведені експериментів і розрахунків.

3. Слисенко В.И., Иваницкий П.Г., Василькевич А.А., Кротенко В.Т., Майстренко А.Н. Исследование кристаллического электрического поля в соединениях Pr2Al и PrAl методом неупругого рассеяния нейтронов УФЖ.1993.38, №4.С.601606.

4. Участь в розробці та проведені експериментів і розрахунків.

5. Василькевич А.А., Иваницкий П.Г., Слисенко В.И., Кротенко В.Т., Майстренко А.Н., Маркив В.Я., Ризак В.М., Ризак И.М. Эффекты кристаллического электрического поля в соединении NdAl ФТТ.1993.35, №4.С.947952.

6. Участь в розробці і постановці експерименту, проведення розрахунків, аналіз одержаних результатів, формулювання висновків та написання статті.

7. Иваницкий П.Г., Василькевич А.А., Слисенко В.И., Кротенко В.Т., Майстренко А.Н. Тонкая структура основного мультиплета иона Nd3+ в кристаллическом электрическом поле Nd2Al Металлофизика.1993.15, №8. С.8386.

8. Участь в розробці і постановці експерименту, проведення розрахунків, аналіз одержаних результатів, формулювання висновків та написання статті.

9. Василькевич А.А., Иваницкий П.Г., Слисенко В.И., Кротенко В.Т., Майстренко А.Н., Маркив В.Я. Кристаллическое электрическое поле и динамика спиновых флюктуаций в соединении CeAl ФНТ.1993.19, №9.С.10081012.

10. Участь в розробці і постановці експерименту, проведення розрахунків, аналіз одержаних результатів, формулювання висновків та написання статті.

11. Василькевич А.А., Иваницкий П.Г., Слисенко В.И., Кротенко В.Т., Майстренко А.Н., Маркив В.Я. Неупругое рассеяние медленных нейтронов в системе с тяжелыми фермионами Ce3Al11 УФЖ.1994.39, №2.С.150154.

12. Участь в розробці і постановці експерименту, проведення розрахунків, аналіз одержаних результатів, формулювання висновків та написання статті.

13. Василькевич А.А., Иваницкий П.Г., Слисенко В.И., Кротенко В.Т., Майстренко А.Н., Маркив В.Я. Расщепление основного мультиплета иона Nd3+ в кристаллическом электрическом поле соединений NdAl и Nd3Al11 ФНТ.1994.20, №8.С.810814.

14. Участь в розробці і постановці експерименту, проведення розрахунків, аналіз одержаних результатів, формулювання висновків та написання статті.

15. Василькевич О.А., Іваницький П.Г., Пасічник М.В., Слісенко В.І., Кротенко В.Т., Майстренко О.Н. Температурне зміщення рівнів енергії основного мультиплету іону Ce3+ в концентрованій кондо-системі Ce3Al Доп. АН України.1994, №2.С.6568.

16. Участь в розробці і постановці експерименту, проведення розрахунків, аналіз одержаних результатів, формулювання висновків та написання статті.

17. Василькевич А.А. Анализ магнитной восприимчивости соединений CeAl, Ce3Al11, Ce3Al на основе экспериментов по неупругому рассеянию медленных нейтронов Металлофизика и новейшие технологии.1994.16, №6.С.4448.

18. Василькевич А.А., Иваницкий П.Г., Слисенко В.И. Влияние эффекта Кондо на кристаллическое электрическое поле в соединении Ce3Al ФНТ.1996.22, №12.С.13901395.

19. Участь в розробці і постановці експерименту, проведення розрахунків, аналіз одержаних результатів, формулювання висновків та написання статті.

20. Василькевич А.А., Иваницкий П.Г., Кротенко В.Т., Майстренко А.Н., Слисенко В.И. Метод неупругого рассеяния медленных нейтронов в исследованиях кристаллического электрического поля.К.: 1990.17с. (Препр. НАН Украины. ИЯИ; 9016).

Василькевич О.А. Нейтронна спектроскопія низькоенергетичних станів 4f-електронів в сполуках церію та неодиму з алюмінієм. Рукопис.

Дисертація на здобуття ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07фізика твердого тіла. Інститут фізики НАН України, Київ, 1998.

Дисертацію присвячено систематичному експериментальному дослідженню за допомогою непружного розсіяння повільних нейтронів енергетичної структури основного мультиплету іонів церію і неодиму в сполуках з орторомбічною симетрією кристалічного електричного поля (КЕП) та вивченню динаміки кондовських флуктуацій спіну (КФС) в сполуках церію. Встановлено, що величина енергії повного розщеплення зростає з пониженням симетрії КЕП та зменшенні повного моменту кількості руху. Показано, що КФС в концентрованих кондо-системах зумовлюють зменшення їх магнітної сприйнятливості. Сильна взаємодія 4f-електронів з електронами провідності в Ce3Al має “антиекрануючий” характер впливу на КЕП. ЇЇ посилення при пониженні температури приводить до зміщення рівнів основного мультиплету в бік більших енергій.

Ключові слова: нейтронна спектроскопія, кристалічне електричне поле, основний мультиплет, кондовські флуктуації спіну, концентровані кондо-системи.

Василькевич А.А. Нейтронная спектроскопия низкоэнергетических состояний 4f-электронов в соединениях церия и неодима с алюминием. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 физика твердого тела. Институт физики НАН Украины, Киев, 1998.

Диссертация посвящена систематическому экспериментальному исследованию с помощью неупругого рассеяния медленных нейтронов энергетической структуры основного мультиплета ионов церия и неодима в соединениях с орторомбической симметрией кристаллического электрического поля (КЭП) и изучению динамики кондовских флуктуаций спина (КФС) в соединениях церия. Установлено, что величина энергии полного расщепления основного мультиплета возрастает с понижением симметрии КЭП и с уменьшением полного момента количества движения. Показано, что КФС в концентрированных кондо-системах обусловливают уменьшение их магнитной восприимчивости. Сильное взаимодействие 4f-электронов с электронами проводимости в Ce3Al имеет “антиэкранирующее” влияние на КЭП. Усиление этого взаимодействия при понижении температуры приводит к смещению уровней основного мультиплета в сторону больших энергий.

Ключевые слова: нейтронная спектроскопия, кристаллическое электрическое поле, основной мультиплет, кондовские флуктуации спина, концентрированные кондо-системы.

Vasilkevich A.A. Neutron spektroskopy of low-energy states of 4f-electrons in compounds of cerium and neodymium with aluminium.Manuscript.

Thesis for degree of Candidate of Science in speciality 01.04.07 solid state physics. Institute of Physics of National Academy of Sciences of the Ukraine. Kyiv, 1998.

The thesis is devoted to systematic experimental research by inelastic scattering of slow neutrons of the energy structure ground multiplet of ions of cerium and neodymium with orthorhombic symmetry of crystalline electric field (CEF) and of dynamic of Kondo spin fluctuations (KSF) in cerium compounds. It has been established, that the value of energy of a complete splitting of the ground multiplet increases with decrease of the CEF's symmetry and with reduction of the total moment. It is shown, that KSF in concentrated Kondo systems cause reduction of their magnetic susceptibility. The strong interaction of 4f-electrons with conduction electrons in Ce3Al has “antiscreening” influence on CEF. Gain of interaction at lowering of the temperature leads to shift of levels of the ground multiplet towards the bigger energies.

Key words: neutron spectroscopy, crystalline electric field, ground multiplet, Kondo spin fluctuations, concentrated Kondo systems.

Размещено на Allbest.ru