Взаємозв’язок електронної, магнітної та кристалічної структур у залізо-марганцевих пніктидах - Автореферат

Взаємозвязок між електронною, магнітною і кристалічною структурами є найбільш важливою причиною фундаментального характеру, що визначає багатство магнітних явищ і різноманітність кристалічних і магнітних структур у залізо-марганцевих пніктидах. Тому фундаментальний інтерес представляють дослідження мікроскопічних механізмів взаємозвязку магнітної, електронної й кристалічної структур у матеріалах з магнітоструктурними перетвореннями. Залізо-марганцеві пніктиди й сплави на їх основі відносяться до одного з популярних обєктів досліджень у області фізики магнітних сполук завдяки сильному взаємозвязку вказаних підсистем, який формує багату фазову діаграму. Основу дисертації складають результати, отримані при виконанні наступних державних бюджетних тем: «Вплив розмірних та структурних факторів на фазові переходи, електричні і магнітні властивості у твердому тілі» № держ.реєстрації 0103U005971, 2003-2006рр.; «Аномальні магнітні та електричні властивості мезо-та нано-систем: ефекти розміру та структури» № держ.реєстрації 0106U006933, 2006-2009рр.; «Дослідження умов та механізмів реалізації магнітоструктурних фазових перетворень у сплавах з магнітоактивними іонами» проект ДФФД України № 0106U005948, 09.2005 - 12.2006; «Дослідження впливу наноструктурування та легування на магнітні властивості багатокомпонентних сплавів з перехідними 3-d елементами» проект ДФФД України № 0107U003787, 06.2007-12.2008. Методами теорії функціонала електронної густини встановити взаємозвязок електронної, магнітної та кристалічної структур у залізо-марганцевих пніктидах.При 313K спостерігається магнітоструктурний фазовий перехід першого роду з «високоспінового» FM [4] (магнітний момент Mn m=3.4?B) - до «високоспінового» парамагнітного (PM) стану, який супроводжується зміною кристалічної структури від B81 до орторомбічної B31 (Pnma) [5] і зменшенням обєму на 2.1%. У FM стані мінімум енергії відповідає «високоспіновому» стану із структурою B81 (f=f1=0). При стисканні ґратки фаза B31 стає більш стійкою в «низькоспіновому» (m=1.6?B) стані (V/V0=0.8), що узгоджується з магнітоструктурними переходами «високий спін» - «низький спін» при стисканні MNAS або заміщенні арсену фосфором, які спостерігаються експериментально. Коли їх заповнення перевищує певне критичне значення (що спостерігається у «високоспіновій» фазі для підзони «спін вгору»), енергетичні звязки Mn-Mn забезпечують мінімум повної енергії для структури B81 (f=f1=0). Проблема може бути вирішена шляхом відповідного катіонного або аніонного заміщення, яке забезпечує збереження чи невелике збільшення параметрів ґратки B81 (інакше при легуванні в низькотемпературній області стабілізується структура B31, що призводить до пригнічення «високоспінового» FM стану й зникнення переходу PM-FM) [5].Заповнення «антизєднувальних» станів d-зони внаслідок обмінного розщеплення (MNAS) чи збільшення числа d-електронів (NIAS) зумовлює стабілізацію «невикривленої» гексагональної фази. Стискання кристалу, яке призводить до зменшення обмінного розщеплення і спустошення «антизєднувальних» станів d-зони, стабілізує «низькоспінову» феромагнітну фазу із структурними викривленнями в стиснутому MNAS.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

1. Заповнення «антизєднувальних» станів d-зони внаслідок обмінного розщеплення (MNAS) чи збільшення числа d-електронів (NIAS) зумовлює стабілізацію «невикривленої» гексагональної фази.

2. Стискання кристалу, яке призводить до зменшення обмінного розщеплення і спустошення «антизєднувальних» станів d-зони, стабілізує «низькоспінову» феромагнітну фазу із структурними викривленнями в стиснутому MNAS.

3. Виявлено декілька варіантів аніонного заміщення MNAS1-YBY (B=S, Se), які дають можливість збільшити магнітний момент Mn, що може представляти інтерес для практики.

4. Визначено області стабілізації феромагнітної і антиферомагнітної фаз на діаграмі станів системи Mn2-XFEXAS0.5P0.5 шляхом порівняння експериментальних і розрахованих залежностей магнітного моменту від концентрації заліза.

5. Зясовано, що слабку чутливість намагніченості насичення і критичних полів Mn2-XFEXAS0.5P0.5 до зовнішнього тиску зумовлено переходом частки електронів з s-зони у d-зону.

6. Обґрунтовано металічний характер провідності антиферомагнітної фази в системі Fe2-XMNXAS.

Savrasov S. Yu. Full-potential linear-muffin-tin-orbital method for calculating total energies and forces / S. Yu. Savrasov, D.Yu. Savrasov // Phys.Rev.B. - 1992. - V.46. - P.12181-12195. - режим доступу до програми: http://www.physics.ucdavis.edu/~savrasov/Projects/Software/MINDLAB/text.htm

Ebert H. Fully relativistic band structure calculations for magnetic solids - Formalism and Application / H. Ebert // Electronic Structure and Physical Properties of Solids [ed. H. Dreyssй ]. - 2000. - P.191. - (Lecture Notes in Physics, vol. 535). - режим доступу до програми: http://olymp.cup.uni-muenchen.de/ak/ebert/SPRKKR

Немошкаленко В.В. Методы вычислительной физики в теории твердого тела. Зонная теория металлов / В.В. Немошкаленко, В.Н. Антонов. - К.: Наукова думка, 1985. - 408 c.

Effects of pressure on the magnetic properties of MNAS / N. Menyuk, J. A. Kafalas, K. Dwight, J. B. Goodenough // Physical Review. - 1969. - V.177. - P. 942-950.

Завадский Э.А. Магнитные фазовые переходы / Э.А. Завадский, В.И.Вальков. - К.: Наукова думка, 1980. - 196 с.

Завадский Э. А. Взаимосвязь магнитных и структурных свойств и особенности реализации фазовых переходов в арсениде марганца и сплавах на его основе / Завадский Э. А., Каменев В. И., Стефановский Е. П., Сукстанский А. Л., Яблонский Д. А. - ДОНФТИ, 1991. - 52 с. - (Препринт / НАН Украины, Донецкий физ.-техн. ин-т; ДОНФТИ 91-14).

Vosko S.H. Accurate spin-dependent electron liquid correlation energies for local spin-density calculations: a critical analysis / S.H.Vosko, L.Wilk, M.Nusair // Can.J.Phys. - 1980. - V.58. - P.1200-1211.

Sandratskii L. M. Unusual sequence of phase transitions in MNAS: First-principles study / L. M. Sandratskii, E. Sasioglu // Phys.Rev.B. - 2006. - V.74. - P.214422-214428.

Phase transitions in MNAS / A. Zieba, K. Selte, A. Kjekshus, A. F. Andersen // Acta Chemica Scandinavica A. - 1978. - V.32. - P.173-178.

Pressure-Induced Colossal Magnetocaloric Effect in MNAS / S.Gama, A.A.Coelho, A.de Campos [et al.] // Phys.Rev.Lett. - 2004. - V.93. - P.237202-237206.

Low temperature magnetic structure of MNSE / J. B. C. Efrem DSA, P. A. Bhobe, K. R. Priolkar [et.al.] // PRAMANA. - 2004. - V.63. - P.227-232.

Samolyuk G. D. Magneto-structural phase transition in Gd5(Si2Ge2) and MNFE(P1/3As2/3) systems / G. D. Samolyuk, V.P. Antropov // J. Appl. Phys. - 2003. - V.93. - P.6882-6884.

Magnetoelastic transition and antiferro-ferromagnetic ordering in the system MNFEP1?YASY / M. Bacmann, J.-L. Soubeyroux, R. Barrett [et al.] // JMMM. - 1994. - V.134. - P.59-67.

Scheerlinck D. Neutron diffraction study of the magnetic structure of Fe2P / D. Scheerlinck, E. Legrand // Solid State Communications. - 1978. - V.25. - P.181

Magnetic properties of Fe2P single crystal / H. Fujii, T. Hokabe, T. Kamigaichi, T. Okamoto // Journal of the Physical Society of Japan. - 1977. - V.43. - P.41-46.

Kanomata T. Magnetic Phase Transitions in the Fe2As-Mn2As System / T. Kanomata, T. Goto, H. Ido // Journal of the Physical Society of Japan. - 1977. - V.43. - P.1178-1184.

A neutron powder diffraction study of the crystal and magnetic structure of Fe0.72Mn1.28As at 295 and 10 K / V. Baron, M. Neronin, H. Rundlof, R. Tellgren // JMMM. - 1997. - V.169. - P.271-278.

Magnetic field-induced phase transitions in Fe2-XMNXAS / K. Sugiyama, T. Kanomata, H. Ido, M. Date // Journal of the Physical Society of Japan. - 1988. - V.57. - P.1558-1561.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ РОБІТ

Вальков В. И. Электронный механизм структурных фазовых переходов в арсениде марганца / В. И. Вальков, А. В. Головчан // ФНТ. - 2004. - Т.30. - С.945-957.

Вальков В. И. Взаимосвязь между спиновым состоянием марганца и стабильностью кристаллической структуры соединений MNAS и MNP / В. И. Вальков, А. В. Головчан // ФНТ. - 2005. - Т.31. - С.695-702.

Вальков В.И. Изменение энергии основного состояний MNAS при индуцированных давлением магнитоструктурных переходах «высокий спин - низкий спин» / В.И.Вальков, А.В. Головчан // ФТВД. - 2005. - Т.15,№1.

Головчан А. В. Электронная структура и ферромагнитное поведение сплавов Mn1-XAXAS1-YBY / А. В. Головчан, И.Ф.Грибанов // ФНТ. - 2008. - Т.34. - С.1177-1183.

Вальков В. И. Особенности спонатнных и индуцированных магнитным полем магнитоупорядоченных фаз в сплавах системы Mn2-XFEXAS0.5P0.5 / В. И. Вальков, Д. В. Варюхин, А. В. Головчан // ФНТ. - 2008. - Т.34. - С.536-547.

Влияние давления на устойчивость магнитоупорядоченных состоянй в сплавах системы Mn2-XFEXAS0.5P0.5 / В. И. Вальков, Д. В. Варюхин, А. В. Головчан, И. Ф. Грибанов, А. П. Сиваченко, В. И. Каменев, Б. М. Тодрис // ФНТ. - 2008. - Т.34. - С.927-941.

Вальков В. И. Электронная структура коллинеарных состояний в магнитоупорядоченных фазах некоторых сплавов системы Fe2-XMNXAS / В. И. Вальков, А. В. Головчан // ФНТ. - 2008. - Т.34. - С.53-60.

Грибанов И.Ф. Магнитное поведение некоторых железомарганцевых пниктидов при сжатии решетки. Вычислительный эксперимент / И.Ф. Грибанов, А.В. Головчан, В. И. Вальков // ФТВД. - 2007. - Т.17. - С.86-92.

Грибанов И. Ф. Исследование возможности оптимизации сплавов для магнитного охлаждения на основе арсенида марганца / И. Ф. Грибанов, А. В. Головчан // Упорядочение в минералах и сплавах : 10-й междунар. симпозиум, 19-24 сент. 2007г. : сб. докл. - Сочи, 2007. - С. 106-109.

Gribanov I. F. First principle study of the ferromagnetic behavior in the magnetic refrigeration MNAS based alloys / I. F. Gribanov, A.V.Golovchan // Functional Materials : International conf. 1-6 oct. 2007 : proceedings. - Partenit, 2007. - P.20.

Вальков В. И. Влияние вариации состава и параметров решетки на магнитные свойства пниктидов Mn с NIAS структурой / В.И.Вальков, А.В.Головчан, И.Ф.Грибанов // Актуальные проблемы физики твердого тела : междунар. конф., 23-26 окт. 2007г.: сб. докл. - Минск,2007. - С.214-217.

Грибанов И. Ф. Электронная структура и ферромагнетизм сплавов системы Mn1 XFE1-XASYP1-y / И. Ф.Грибанов А. В. Головчан, В. И. Вальков // Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах : 8-й междунар. симпозиум, 12-16 сентября 2005 г. : труды конф. - Сочи, 2005. - С.220-222.

Грибанов И.Ф. Вариация локальных магнитных моментов в сплавах для магнитного охлаждения Mn1 XFE1-XASYP1-y / И. Ф. Грибанов, А. В. Головчан, В. И. Вальков // Актуальные проблемы физики твердого тела: 2-я международная конференция, 26-28 октября 2005г. : труды конф. - Минск, 2005. - С.165-167.

Грибанов И. Ф. Магнитное поведение некоторых железомарганцевых пниктидов при сжатии решетки. Вычислительный эксперимент / И.Ф. Грибанов, А.В.Головчан, В.И. Вальков // Высокие давления-2006. Фундаментальные и прикладные аспекты: 9-ая междунар. конф., 17-22 сент. 2006г.: тезисы докл. - Донецк, 2006. - С.37.

Индуцированные магнитным полем переходы порядок-порядок в некоторых сплавах системы Mn2-XFEXAS0.5P0.5 / Д. В. Варюхин, В. И. Вальков, И. Ф. Грибанов, Б. М. Тодрис, А. В. Головчан // Актуальные проблемы физики твердого тела : междунар. конф., 23-26 окт. 2007 г. : сборник докл. - Минск,2007. - С.210-213.

Вальков В. И. Особенности барической устойчивости низкотемпературных магнитоупорядоченных фаз в системе Mn2-XFEXAS0.5P0.5 / В. И. Вальков, Д. В. Варюхин, А. В. Головчан // Высокие давления - 2009. Фундаментальные и прикладные аспекты: 10-я междунар. конф., 16-20 сент. 2008г.: тезисы докл. - Донецк,2008. - С.56.

Valkov V. I. First principle band structure of Fe2-XMNXAS alloys / V. I. Valkov, A. V. Golovchan // Functional Materials: international conf., 1-6 oct. 2007.: proceedings - Partenit,2007. - P.40.