CC BY
0УДК 538.911, 537.6
DOI: 10.21779/2542-0321-2024-39-4-19-27 Т. Р. Арсланов, А. А. Амиров, Л. Н. Ханов Зависимость температуры Нееля от давления в упорядоченном сплаве Fe5oRh5o
Институт физики им. Х. И. Амирханова Дагестанского федерального информационного центра Российской академии наук; Россия, 367015, г. Махачкала, ул. М. Ярагского, 94; [email protected]
Аннотация. В работе представлены высокотемпературные исследования удельного сопротивления р(Т) эквиатомного упорядоченного сплава Рс50КЪ50 при воздействии высокого давления до 7.7 ГПа. Температура фазового перехода в Рс50КЪ50 из антиферромагнитного в ферромагнитное состояние при Ты ~ 370 К, определенная по аномалии зависимости р(Т), заметно смещается с приложением давления в соответствии с известной Т-Р магнитной фазовой диаграммой БсКЬ. В частности, барическое смещение температуры Нееля происходит с величиной барического коэффициента dTN/dP = +42 К/ГПа до 1.56 ГПа, что хорошо согласуется с литературными данными. В области более высоких давлений обнаружена смена знака dTN/dP, что указывает на понижение Ты до 450 К при Р = 7.7 ГПа. Наблюдаемая эволюция Ты от давления в Рс50^50 обсуждается с точки зрения преобладания вторичной фазы Fe0.94Rh0.06 в образце, а также возможного сценария развития новой антиферромагнитной фазы высокого давления.
Ключевые слова: сплав ReFh, структура B2, антиферромагнетики, высокое давление, удельное сопротивление, магнитный фазовый переход.
Введение
Необычные физические свойства сплава железа и родия (FeRh) были обнаружены более полувека назад [1]. Известно, что эквиатомное соединение Fe5oRh5o обладает двумя типами кристаллических модификаций: химически упорядоченной структурой bcc-B2 (типа CsCl) либо неупорядоченной структурой Асс (7) при комнатной температуре. Находясь в фазе Асс, сплав не обладает магнитным порядком [2]. В то же время фаза Ьсс является антиферромагнетиком ^-типа) в широком диапазоне температур и претерпевает изоструктурный магнитный фазовый переход первого рода из антиферромагнитной фазы в ферромагнитную фазу в области ~ 370 K [1; 3].
По результатам различных экспериментальных и теоретических исследований было установлено, что «низкотемпературная» фаза Ьсс-В2 характеризуется магнитной структурой, в которой локальные моменты Fe составляют ±3 /лв и нулевыми моментами обладают атомы ЯЪ, тогда как в высокотемпературной ферромагнитной фазе локальные моменты железа и родия составляют ~ 3.2 рв и ~ 1 рв соответственно (рис. 1). Фазовое превращение между этими магнитными структурами реализуется как метамагнитный переход, сопровождаемый объемным расширением ~ 1 % и большим падением удельного сопротивления, что указывает на тесную связь между электронными, магнитными и структурными свойствами в сплаве [3; 4].
Ре
О ^
/И **у
I* ^ V
АРМ
РМ
Рис. 1. Магнитные кристаллические фазы FeRh. Слева показана антиферромагнитная G-типа структура, справа - ферромагнитная структура
В последние годы интерес к FeRh стремительно возрос в связи с появлением его тонкопленочных форм и последующим потенциалом интеграции в архитектуру устройств [5-10]. Однако наряду с тонкими пленками объемные соединения FeRh остаются объектом мультикалорической перспективы из-за магнитных фазовых превращений, сопровождающихся сильными изменениями энтропии [11-13]. Несмотря на практическую значимость, физическая природа фазовых превращений между антиферромагнитным и ферромагнитным состоянием до сих пор остается дискуссионнной. Исследования магнитных свойств FeRh в рамках расчетов из первых принципов главным образом сходятся во мнении, что решающую роль в процессе магнитного превращения играют локальные моменты Rh [14; 15]. Аналогичный вывод следует из экспериментов при высоком давлении, на основании которых показано, что атомы Rh не обладают магнитным моментом, находясь в неферромагнитном состоянии [16].
В настоящей работе исследуется влияние высокого давления на температуру магнитного перехода из антиферромагнитного состояния в ферромагнитное в эквиа-томном Fe5oRh5o. Были выполнены высокотемпературные измерения удельного сопротивления до давлений 7.7 ГПа, из которых установлено изменение температуры Нееля, отличное от Т-Р магнитной диаграммы для системы Fe5oRh5o.
Образец состава Fe5oRh5o получен методом дуговой плавки из чистых элементов родия Rh (99.9 %) и железа (99.99 %). После плавки образец подвергался гомогениза-ционному отжигу при температуре Т = 1000 оС в течение недели, далее был очищен и вырезан в форме пластины. По данным рентгенофазового анализа (РФА) в образце идентифицировалась кубическая фаза FeRh с пространственной группой ^т-3т (а = 3.74 А, V = 52.31 А3), содержание которой составило 95.4 %. Помимо основной фазы Fe5oRh5o, данные РФА указывали на присутствие 4.6 % кубической фазы Feo.94Rho.o6 с пространственной группой 1т-3т (а = 2.88 А, V = 24.1 А3).
Измерения удельного сопротивления в диапазоне температур 290 и 470 К при высоком давлении были выполнены в камере Тороид [17] с использованием модифицированного четырехконтактного (шестиконтактного) метода. Исследуемые образцы вырезались в форме параллелепипеда с размерами 2.8x0.9x0.9 мм3. Постоянный ток,
Методика эксперимента
пропускаемый через образец, составлял 100 мА, а контакты для измерения электротранспортных свойств изготовлялись методом пайки на основе оловянно-свинцового припоя. В качестве среды, передающей давление во фторопластовой капсуле с рабочим объемом 80 мм3, использовалась полиэтилсилоксановая жидкость (ПЭС-5), которая позволяет проводить высокотемпературные измерения в условиях гидростатического сжатия. Давление внутри капсулы контролировалось манганиновым датчиком, отка-либрованным по точкам фазовых переходов висмута (2.55 ГПа, 2.69 ГПа и 7.7 ГПа). Относительная погрешность измерений удельного сопротивления не превышала 5 %.
Результаты и обсуждение
Зависимость удельного сопротивления от температуры при приложении различных давлений р(Т,Р) до 7.7 ГПа для образца Fe5oRh5o представлена на рис. 2. При атмосферном давлении (кривая, соответствующая 0 ГПа) зависимость р(Т) демонстрирует проявление фазового перехода первого рода из антиферромагнитной фазы в ферромагнитную в виде характерной аномалии [3; 4], напоминающей волну зарядной плотности. Температурная область данной аномалии начинает увеличиваться с приложением давления 1.56 ГПа и смещает фазовый переход (т. е. температуру Нееля, Ты) в сторону высоких температур. При давлении Р = 3.45 ГПа точка магнитного перехода Ты смещена в сторону более высоких температур, выходящих за область измеряемного температурного диапазона Т < 470 К настоящего исследования.
Следует отметить, что происходящее столь сильное смещение Ты под давлением хорошо согласуется с результатами предыдущей работы, в которой значение барического коэффициента составляет от dTы/dP от +44 К/ГПа до +50 К/ГПа [18].
5x10"
4x10
3x10"
| 2x10"'
гм
10'
7 СРа 7.7 СРа
I ! I I I I I I I I I I I_I I I I I
300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 Т, К
Рис. 2. Температурная зависимость удельного сопротивления образца Fe5oRh5o, измеренная в режиме нагрева, при различных прикладываемых давлениях. Обозначение 0 ГПа ^РА)
соотвествует давлению 1 атм
При этом в работе [18] отмечается, что барический коэффициент остается неизменным по знаку до Р = 8 ГПа. Однако, как видно из рис. 2, для максимальных давлений Р = 7 ГПа и 7.7 ГПа горбообразная аномалия р(Т,Р), связанная с фазовым превращением, проявляется в диапазоне измеряемых температур. Такое поведение указывает на противоположный сдвиг Ты в сторону низких температур. Для определения температуры магнитного перехода в БезоК^о использовалась зависимость производной ёр/ёТ от температуры, показанная на рис. 3. Из данной зависимости следует, что Ты демонстрирует минимум ёр/ёТ, который имеет место при всех давлениях за исключением Р = 3.45 ГПа. Определенная таким путем Ты ~ 370 К для Бе5оКЪ5о при атмосферном давлении хорошо согласуется с данными литературы [3; 4]. Кроме того, из зависимости ёр(Т)/ёТ определены значения Ты ~ 455 и « 450 К для давлений Р = 7 и 7.7 ГПа соответственно. Это может означать, что при более высоких давлениях характерна тенденция смены знака барического коэффициента йТы/йР, приводящая к понижению Ты до 450 К при Р = 7.7 ГПа. Подобное наблюдение находится в некотором противоречии с имеющимися данными зависимости Ты от давления - как для эквиатомного состава БезоЯИзо, так и для ряда нестехиометрических и допирован-ных соединений Бе49КЪ451, Ре51.5КЬ48.5, Ре5о.5КЬ49.5, Ее44М49.51гб.5 [18; 19]. Возможные причины такого отклонения Ты будут обсуждаться ниже.
0.00020
0.00015
Е
о
^ 0.00010
I-
тз
"о.
■О
0.00005
0.00000
300 320 340 360 380 400 420 440 460 Т, к
Рис. 3. Температурная зависимость ёр/ёТ при различных давлениях для образца Ре5о^5о. Стрелки указывают на температуру магнитного перехода из антиферромагнитного состояния в ферромагнитное. Для наглядности кривые (ар/аТ)(Т) для давлений 7 и 7.7 ГПа увеличены
в 10 раз
-т-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-г
хЮ 77 <ЗРа
хЮ 7 СРа
3.45 ОРа
1.56 ОРа
1 0 еРа л_I_I_I_I_._I_I_I_._I_I_I_1_
На рисунке 4 построена зависимость Tn от давления при P < 1.56 ГПа. Для данного диапазона давлений оценена величина барического коэффициента, которая составляет dTN/dP = + 42.3 К/ГПа, что очень близко к значению + 44 К/ГПа из работы [18]. Основываясь на предположении, что знак и величина барического коэффициента dTN/dP будут постоянны до P = 3.45 ГПа, то, интерполируя зависимость Tn(P) в область
высокого давления, получим значение Tn ~ 508 К, соотвествующее данному давлению.
□
500
475
450
425
400
375
data from 0-1.56 GPa -linear fit
dT,/dP = +42.3 K/GPa
1 2 P, GPa
Рис. 4. Зависимость температуры Нееля от давления. Сплошная линия показывает оценку барического коэффициента dTN/dP. Штрихованная линия показывает интерполяцию данных
к значению Тм при Р = 3.56
Связь между зависимостями удельного сопротивления р(Р) при Т = 297 К и Ты(Р) показана на рис. 5. Данные для зависимости р(Р) были извлечены из рис. 2. Как видно, обе эти зависимости показывают куполообразное поведение с максимумом ртах = 27.5 • 10-4О см и Тмтах - 508 К в при давлении Р = 3.45 ГПа. Из наблюдаемой корреляционной связи можно сделать вывод, что смена знака dTм/dP напрямую обусловлена изменением барического хода удельного сопротивления и, вероятно, наступает при давлениях выше 3.45 ГПа.
Таким образом, наблюдаемое в нашем случае изменение барического коэффициента dTм/dP может свидетельствовать об индуцированном давлением магнитном и/или структурном превращении в Fe5oRh5o при Р = 3.45 ГПа. Для некоторых исследованных под давлением составов FeRh была построена Т-Р магнитная фазовая диаграмма [16; 18-21], на которой обсуждается существование тройной точки, где три фазы: антиферромагнитная, ферромагнитная и парамагнитная - могут сосуществовать. Выше некоторого критического давления Рс, соответствующего тройной точке, преобладают только антиферромагнитная и парамагнитная фазы, в которых атомы Rh не обладают магнитными моментами [16]. Для состава Fe5oRh5o значение Рс ~ 6.5 ГПа. Поведение Ты выше Рс характеризуется сменой рода фазового перехода с первого на второй и демонстрирует понижение барического коэффициента от dTм/dP от
+10 до +6 К/ГПа [18]. Однако следует заметить, что на основе представленной Т-Р фазовой диаграммы Бе5оКЪ5о невозможно сделать заключение о взаимосвязи магнитных превращений со структурным изменением исходной кубической структуры. В этой связи данный вопрос представляет существенный интерес для дальнейшего исследования Бе5оКЪ5о методами рентгеновской дифракции при высоком давлении.
Рис. 5. Зависимости удельного сопротивления при комнатной температуре (Т = 297 К) и Ты
от давления
Основываясь на результатах настоящего исследования (рис. 26), а также данных магнитной фазовой Т-Р диаграммы для Бе5оКЪ5о [18], можно сделать следующие выводы. Понижение Ты выше давления 3.45 ГПа формально можно рассматривать как отсутствие тройной точки на фазовой диаграмме Бе5оКЪ5о из-за формирования новой антиферромагнитной структуры высокого давления, отличной от исходной Ьсс G-типа. То есть на Т-Р диаграмме ее фазовая линия будет демонстрировать изменение знака барического коэффициента йТы/йР и, как следствие, понижение Ты.
С другой стороны, понижение величины Ты под давлением может быть обусловлено влиянием фазы Бе94КЬб на Бе5оКЪ5о, обнаруженной из данных РФА. Учитывая, что данная фаза обогащена железом, то по аналогии с нестехиометрическим соединением Бе51.5М48.5 ее начальное магнитное состояние должно быть ферромагнитным [19]. В области небольших давлений, как это следует из зависимости р(Т,Р) (рис. 2), влияние фазы Бе94КЪб на общее удельное сопротивление неразличимо. Однако в области больших давлений влияние фазы Бе94КЪб может оказаться превалирующим из-за индуцированного давлением магнитного превращения из ферромагнитной фазы в антиферромагнитную с формированием новой спиновой конфигурации (не G-типа). Давление перехода, при котором происходит магнитное превращение в Ее94ЯЬб, скорее всего, совпадает с давлением, при котором наблюдается максимум зависимости р(Р) (рис. 5). Для
подтверждения данного сценария необходимо проведение измерений намагниченности Fe5oRh5o под давлением.
Заключение
Нами выполнены высокотемпературные измерения удельного сопротивления эквиатомного сплава Fe5oRh5o при воздействии высоких давлений до 7.7 ГПа. Рассмотрено влияние гидростатического давления на температуру перехода из антиферромагнитного состояния в ферромагнитное с целью развития T-P магнитной фазовой диаграммы FeRh. Температура Нееля - Tn ~ 370 K при атмосферном давлении, с приложением высокого давления до 1.56 ГПа демонстрирует смещение по температуре с величиной барического коэффициента dTN/dP = + 42 К/ГПа. В области высоких давлений при P > 3.45 ГПа знак dTN/dP изменяется на противоположный, указывая на понижение Tn до 450 К при P = 7.7 ГПа. Наблюдаемая эволюция Tn от давления в Fe5oRh5o интерпретируется с точки зрения формирования новой антиферромагнитной структуры высокого давления и влияния вторичной фазы Fe94Rh6 в Fe5oRh5o.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда, проект № 23-22-00324.
Благодарность. Авторы выражают благодарность А. Чирковой (Hochschule Bielefeld University of Applied Sciences and Arts, Bielefeld, Germany) за предоставленный образец, ценные замечания.
Литература
1. Fallot, M. The alloys of iron with metals of the platinum family / M. Fallot // Ann. Phys. 1938. Vol. io. - P. 291.
2. Miyajima, H. Structural phase transition and magnetic properties of FeRhi-xCox alloys / H. Miyajima H. and S. Yuasa // J. Magn. Magn. Mater. 1992. Vol. 2o25.
- Pp. Ю4-Ю7.
3. Kouvel, J. S. Anomalous magnetic moments and transformations in the ordered alloy FeRh / J. S. Kouvel and C. C. Hartelius // J. Appl. Phys. 1962. Vol. 33. - P. 1343.
4. Lewis, L. H. Coupled magnetic, structural, and electronic phase transitions in FeRh / L. H. Lewis, C. H. Marrows fnd S. Langridge // J. Phys. D: Appl. Phys. 2o16. Vol. 49.
- P.323oo2.
5. Kang, K. Spin current driven by ultrafast magnetization of FeRh / K. Kang, H. Omura, D. Yesudas, O. Lee, K.-J. Lee, H.-W. Lee, T. Taniyama, and G.-M. Choi // Nat Commun. 2o23. Vol. 14. - P. 3619.
6. Hamara, D. Ultra-high spin emission from antiferromagnetic FeRh / D. Hamara, M. Strungaru, J. R. Massey, Q. Remy, X. Chen, G. N. Antonio, O. A. Santos, M. Hehn, R. F. L. Evans, R. W. Chantrell, S. Mangin, C. Ducati, C. H. Marrows, J. Barker and C. Ciccarelli // Nat Commun. 2o24. Vol. 15. - P. 4958.
7. Cao, C. Efficient Tuning of the Spin-Orbit Torque via the Magnetic Phase Transition of FeRh / C. Cao, S. Chen, B. Cui, G. Yu, C. Jiang, Z. Yang, X. Qiu, T. Shang, Y. Xu and Q. Zhan // ACS Nano. 2o22. Vol. 16, no. 8. - Pp. 12727-12737.
8. Merkel, D. G. Reversible control of magnetism in FeRh thin films / D. G. Merkel, A. Lengyel, D. L. Nagy, A. Nemeth, Z. E. Horvath, C. Bogdan, M. A. Gracheva, G. Hegedfis, S. Sajti, G. Z. Radnoczi and E. Szilagyi // Sci Rep. 2o2o. Vol. 1o. - P. 13923.
9. Yuan, X. Enhanced fourfold anisotropic magnetoresistance in FeRh films through Mn doping / X. Yuan, Z. Zhang, R. Li, Q. Li, H. Lai, Y. Song, F. Liu, Y. Liu, Z. Lu, R. Xiong // Journal of Alloys and Compounds. 2024. Vol. 1007. - P. 176330.
10. Merkel, D. G. Three-Dimensional Analysis of Magnetic Nanopattern Formation in FeRh Thin Films on MgO Substrates: Implications for Spintronic Devices / D. G. Merkel, G. Hegedüs, M. Gracheva, A. Deák, L. Illés, A. Németh, F. Maccari, I. Radulov, M. Major, A. I. Chumakov, D. Bessas, D. L. Nagy, Z. Zolnai, S. Graning, K. Sájerman, E. Szilágyi and A. A. Lengyel // ACS Applied Nano Materials. 2022. Vol. 5, no. 4. - Pp. 5516-5526.
11. Hao, J.-Z. Multicaloric and coupled-caloric effect / J.-Z. Hao, F.-X. Hu, Z.-B. Yu, F.-R. Shen, H.-B. Zhou, Y.-H. Gao, K.-M. Qiao, J. Li, C. Zhang, W.-H. Liang, J. Wang, J. He, J.-R. Sun, and B.-G. Shen // Chin. Phys. B. 2020. Vol. 29, no. 4. - P. 047504.
12. Joshi R. Room temperature giant magnetocaloric effect in Pd doped FeRh and the effect of martensitic transition / R. Joshi, S. Karmakar, K. Kumar, M. Gupta M. and R. Rawat // J. Appl. Phys. 2023. Vol. 133, no. 17.- P. 173904.
13. Kamantsev, A. P. Effect of Magnetic Field and Hydrostatic Pressure on Metamagnetic Isostructural Phase Transition and Multicaloric Response of Fe49Rh51 Alloy / A. P. Kamantsev, A. A. Amirov, V. D. Zaporozhets, I. F. Gribanov, A. V. Golovchan, V. I. Valkov, O. O. Pavlukhina, V. V. Sokolovskiy, V. D. Buchelnikov, A. M. Aliev and V. V. Koledov // Metals. 2023. Vol. 13, no. 5. - P. 956.
14. Sandratskii, L. M. Magnetic excitations and femtomagnetism of FeRh: A first-principles study / L. M. Sandratskii and P. Mavropoulos // Phys. Rev. B. 2011. Vol. 83. -P. 174408.
15. Staunton, J. B. Fluctuating local moments, itinerant electrons, and the magnetocaloric effect: Compositional hypersensitivity of FeRh / J. B. Staunton, R. Banerjee, M. dos S. Dias, A. Deak, and L. Szunyogh // Phys. Rev. B. 2014. Vol. 89. - P. 054427.
16. Wayne, R. C. Pressure Dependence of the Magnetic Transitions in Fe-Rh Alloys / R. C. Wayne // Phys. Rev. 1968. Vol. 170. - P. 523.
17. Khvostantsev, L. G. Toroid type high-pressure device: history and prospects / L. G. Khvostantsev, V. N. Slesarev, and V. V. Brazhkin // High Pressure Res. 2004. Vol. 24. - P. 371.
18. Vinokurova, L. I. Pressure effects on magnetic phase transitions in FeRh and FeRhIr alloys / L. I. Vinokurova, A. V. Vlasov, M. Pardavi-Horváth // Physica Status Solidi (b). 1976. Vol. 78, no. 1. - Pp. 353-357.
19. Vinokurova, L.I. Pressure-induced antiferromagnetism in ferromagnetic Fe51.5Rh48.5 alloy / L. I. Vinokurova, A. V. Vlasov, N. I. Kulikov, M. Pardavi-Horváth // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 1981. Vol. 25, no. 2. - Pp. 201-206.
20. Mendive-Tapia, E. Magnetocaloric and barocaloric responses in magnetovolumic systems / E. Mendive-Tapia and T. Castán // Phys. Rev. B. 2015. Vol. 91. -P. 224421.
21. Stern-Taulats, E. Giant multicaloric response of bulk Fe49Rh51 / E. Stern-Taulats, T. Castán, A. Planes, L. H. Lewis, R. Barua, S. Pramanick, S. Majumdar, and L. Mañosa // Phys. Rev. B. 2017. Vol. 95. - P. 104424.
Поступила в редакцию 13 ноября 2024 г.
Принята 28 ноября 2024 г.
UDC 538.911, 537.6
DOI: 10.21779/2542-0321-2024-39-4-19-27
Pressure Dependence of the Neel Temperature in the Ordered Alloy Fe50Rh50 T. R. Arslanov, A. A. Amirov, L. N. Khanov
Amirkhanov Institute of Physics, Dagestan Federal Research Center, Russian Academy of Sciences; Russia, 367015, Makhachkala, M. Yaragsky st., 94; [email protected]
Abstract. This paper reports high-temperature studies of the resistivity p(T) of the near equiatomic ordered alloy FesoRhso under high pressure up to 7.7 GPa. The transition temperature from the antiferromagnetic to ferromagnetic state at Tn ~ 370 K defined as an anomaly on the p(T) dependence demonstrates strong dynamics with the application of pressure, in line with the known T-P magnetic phase diagram of FeRh. In particular, the replacement of the Neel temperature occurs at a rate of dTN/dP = +42 K/GPa up to pressures of 1.56 GPa, that is in good agreement with the literature data. However, in the high-pressure region a change in the dTN/dP dynamics has been observed, indicating a decrease in Tn to 450 K at P = 7.7 GPa. The observed evolution of Tn with pressure is discussed in terms of the predominance of the secondary phase Fe0.94Rh0.06 in the sample, as well as a possible scenario for the development of a new high-pressure antiferromagnetic structure.
Keywords: ReFh alloy, B2 structure, antiferromagnets, high pressure, resistivity, magnetic phase transition.
Received 13 November, 2024 Accepted 28 November, 2024
