Экспериментальная часть

Измерение температурной зависимости намагниченности проводят на вибрационном магнитометре, устройство и принцип действия которого описаны в лабораторной работе №1. Для низкотемпературных измерений используется вставка для сосуда Дьюара с азотом, температура в которой регулируется изменением потока обдувающего газа (рис. 4). Для измерения температуры применяется термопара медь-константал. Калибровка в абсолютных единицах намагниченности проводится по стандартному образцу никеля.

Порядок выполнения работы

1. Закрепить образец № 1 в держатель и откачать воздух из камеры.

2. Измерить температурную зависимость намагниченности. Измерения проводить в ходе нагрева после охлаждения образца.

Рис. 4. Схема установки для измерений от азотных до комнатных температур:1-электромагнит; 2-вольтметр универсальный (В7-21); 3-термостат (0⁰С); 4-образец; 5-термопара (Cu-константан); 6-отвод паров азота; 7, 16-вентили; 8-вакуумная изоляция; 9-герметически уплотняющая крышка; 10-уплотнение; 11-испаритель азота; 12-патрубок для подачи азота к образцу; 13-миллиамперметр; 14-источник тока; 15-сосуд Дьюара с жидким азотом N₂

3. Изменить величину магнитного поля и повторить измерения.

4. Определить температуры фазовых переходов. Оценить влияние величины магнитного поля на температуру перехода и вид зависимости I(T).

5. Используя эталонный образец Ni и формулу (7) предыдущей работы, определить величину намагниченности насыщения I_S.

6. Повторить все измерения для образца № 2.

7. Сравнить полученные результаты с табличными данными, составить отчет о работе.

Контрольные вопросы

1. По какому принципу редкоземельные элементы подразделяют на тяжелые и легкие?

2. Чем обусловлены низкие температуры фазовых переходов в редкоземельных металлах?

3. Типы фазовых переходов в РЗМ.

4. Магнитные структуры редкоземельных металлов.

5. Какие виды обменных взаимодействий присущи РЗМ?

6. Магнитная анизотропия и магнитострикция РЗМ.

7. Применение РЗМ и их сплавов.

/Л. 2; 4; 5; 6/

Лабораторная работа № 3

Изучение температурной зависимости удельного электросопротивления

Аморфных сплавов

Цель работы: исследование температурной зависимости приведенного удельного электросопротивления образцов аморфного сплава четырехзондовым методом.

Используемое оборудование и материалы: вакуумный пост ВУП-4, вольтметры В7-21, ВК2-20, источник питания УИП-2, магазин сопротивлений Р33, образцы аморфного материала.

Теоретическая часть

Электросопротивление аморфных сплавов, имеющих неупорядоченные атомные конфигурации, заметно отличается от электросопротивления кристаллических веществ, характеризующихся наличием дальнего порядка в атомной структуре.

Рис. 1. Температурная зависимость электросопротивления жидких (l), аморфных (g) и кристаллических (с) сплавов Pd₈₁Si₁₉ и Ni₆₀Nb₄₀.

На рис. 1 приведена температурная зависимость типичных сплавов металл - металлоид Pd₈₁Si₁₉ и Nb₄₀Ni₆₀ в жидком, аморфном и кристаллическом состояниях. Как видно из этого рисунка, электросопротивление аморфных сплавов гораздо выше (обычно  = 100  300 мкОмсм), чем кристаллических. Электросопротивление аморфных сплавов, в отличие от кристаллических, очень мало изменяется с температурой - температурный коэффициент электрического сопротивления (ТКС) (1/)(d/dT) = 10^-4  10^-5 K^-1. Это изменение может быть даже отрицательным.

В зависимости от химического состава можно выделить следующие три группы аморфных сплавов:

1. простой металл - простой металл (к этой же группе относятся также и сплавы благородных металлов).

Представителями аморфных сплавов этой группы являются сплавы Мg-Zn, Са-А1, Сu-Sn, Аg-Сu-Ge, Характерно, что у этих сплавов удельное электросопротивление меньше 100 мкОмсм, а температурный коэффициент сопротивления (ТКС) может быть как положительным (электросопротивление растет с температурой), так и отрицательным.

2. переходный металл – металлоид.

Электросопротивление аморфных сплавов второй группы, в которых компонентами являются переходные металлы Fe, Со, Ni и металлоиды В, С и Р, имеет величину 100-200 мк0мсм; знак ТКС меняется от положительного на отрицательный, когда сопротивление превышает ~150 мкОмсм. Это изменение знака ТКС зависит от химического состава, а именно, когда концентрация металлоида составляет 24-25%, кривые температура - электросопротивление имеют широкий пик при ~100 К.

3. переходный металл - переходный металл (или РЗМ).

К этой группе относятся аморфные сплавы Zr–Ni, Zr-Co, Nb-Ni, Pd-Zr, Сu-Zr и др. Величина ТКС этих сплавов от-рицательна во всем диапазоне аморфизирующихся составов, а электросопротивление больше 200 мкОмсм.

Между остаточным сопротивлением и ТКС многих аморфных и кристаллических сплавов существует взаимосвязь, аналогичная той, которая показана на рис. 2. Эта взаимосвязь носит название корреляции Муиджи. Когда величина остаточного сопротивления крайне велика (~200 мкОмсм), ТКС изменяется от малых положительных до малых отрицательных значений. Корреляция Муиджи сильнее, чем влияние упорядоченности атомных конфигураций в сплавах, что является существенной особенностью металлических материалов с высоким сопротивлением. Электросопротивление аморфных сплавов, принадлежащих к третьей группе, определяется в первую очередь корреляцией Муиджи.

Рис. 2 Корреляция Муиджи между остаточным сопротивлением и ТКС

Изменение электросопротивления вышеупомянутых аморфных сплавов может быть разделено на четыре температурные области: Т<T_min, T_min<T<Θ_D, Θ_D<T<T_sat,, T_sat<T. Здесь T_min – температура, при которой проявляется минимум элек-тросопротивления (она обычно составляет 10 – 20К), Θ_D – температура Дебая аморфного сплава, T_sat – температура, при которой высокотемпературный ТКС начинает стремиться к насыщению, отклоняясь от закона Т или Т². Особенности поведения электросопротивления и, в частности изменение знака ТКС, при отмеченных температурах иллюстрируются на рис.3.

У аморфных сплавов с высоким сопротивлением, принадлежащих ко второй и третьей группам, если при высоких температурах Т>T_sat кристаллизация не происходит, сопротивление имеет тенденцию к насыщению, отклоняясь от закона ±Т или ±Т². У аморфных сплавов, принадлежащих к первой или второй группам, при Θ_D<Т<T_sat ТКС изменяется по закону ±Т. При промежуточных температурах T_min<T<Θ_D ТКС практически всех аморфных сплавов пропорционален ±Т². В области низких температур Т<T_min сопротивление аморфных сплавов пропорционально lnT и при снижении температуры повышается, однако скорость такого изменения сильно зависит от сорта компонентов аморфного сплава.

Рис. 3. Температурные изменения электросопротивления аморфных сплавов, относящихся к первой (1), второй (2) и третьей (3) группам.

Для объяснения экспериментальных данных об электросопротивлении и термоэдс используются теории, разработанные для жидких металлов. Рассмотрим одну из таких теорий – дифракционную модель Займана. В основе теории Займана лежат следующие два положения.

1. Распределение центров рассеяния электронов проводимости в жидком металле однородно, что подтверждается данными дифракции рентгеновских лучей и нейтронов.

2. Для вычисления псевдопотенциала слабых взаимодействий в жидком металле может быть использовано борновское приближение, что обусловливается тем, что в жидком металле ионы в достаточной степени экранированы электронами проводимости.

Когда электроны проводимости рассеиваются на ионах аморфного сплава, между ними происходит обмен импульсом ħQ и энергией ħω. Вероятность рассеяния описывается динамическим структурным фактором S(Q, ω), характеризующим пространственно-временную структуру аморфного сплава. Функцию S(Q, ω) называют также динамической функцией рассеяния или динамической интерференционной функцией. Динамический структурный фактор S(Q, ω) пропорционален статическому структурному фактору S(Q), обычно определяемому в экспериментах по рентгеновской или нейтронной дифракции, который равен интегралу по энергии при постоянном Q в динамическом структурном факторе S(Q, ω):

(1)

Займан показал, что электросопротивление жидкого металла ρ может быть выражено через S(Q) следующим образом:

, (2)

где e - заряд электрона; Ω₀ - атомный объем; v_F и k_F - скорость и волновое число электронов на поверхности Ферми; Q – век-тор рассеяния и V(Q) - Фурье-компонента потенциала рассеяния ионов.

Выражение (2) относится к однокомпонентному металлу. В случае сплавов эту формулу необходимо обобщить, включив в нее парциальные структурные факторы и потенциалы ионов разных сортов.

Как видно из выражения (2), в теории Займана поведение ρ определяется поведением S(Q) и . На рис. 4 S(Q) и схематично показаны как функции Q. Вертикальные линии на рисунке соответствуют числу валентных электронов Z, как числу свободных электронов, приходящихся на один атом и удвоенному, чтобы получить соответствие с фермиевскими волновыми числами. Другими словами, вертикальные линии отвечают положениям Q=2k_F. Фабер и Займан предположили, что в двухвалентных металлах 2k_F практически совпадает с положением главного максимума S(Q), т. е. с Q_p. В случае Z=2 интеграл в уравнении (2), т. е. сопротивление р, уменьшается с повышением температуры. Действительно, в жидких двухвалентных металлах, например в цинке, ТКС становится отрицательным при температурах непосредственно

Рис. 4. Схема, поясняющая основные положения теории электросопротивления жидких сплавов Займана

над точкой плавления. Для аморфных металлов, как и для жидких двухвалентных металлов, можно ожидать, что .при выполнении условия Q≈2k_F (условие Нагеля - Тауца) в области высоких температур (T>Θ_D) ТКС может быть отрицательным.

Помимо модели Займана используется еще ряд теоретических моделей: модель двухуровневых состояний, модель s-d рассеяния Мотта и модель слабой локализации.