Научный журнал

Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Лукоянов А.В. 1 Князев Ю.В. 1

---

1 ФГБУН «Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук»

В работе исследована эволюция электронной структуры интерметаллидов SmNi5-хCuх (x = 0-5) в зависимости от позиции замещения никеля ионами меди. С этой целью проведены спин-поляризованные расчеты энергетического спектра данных соединений в рамках зонного метода. Анализ электронной структуры показал, что примеси меди приводят к сокращению спиновой поляризации практически немагнитных 3d состояний никеля и уменьшению плотности электронных состояний переходных металлов на уровне Ферми. Электронные 3d состояния меди располагаются компактно от 4 до 2 эВ ниже уровня Ферми. Рассмотрены различные варианты замещения атомов никеля медью в кристаллографических позициях 2c и 3g в Ni подрешетке. Сравнение полученных в первопринипных расчетах полных энергий конфигураций позволяет сделать вывод о более выгодном заполнении медью 2c позиций.

Статья в формате PDF

1577 KB

интерметаллиды

первопринципные расчеты

электронная структура

1. Andersen O.K., Jepsen O. Explicit, first-principles tight-binding theory // Phys. Rev. Lett. – 1984. Vol. 53, № 27. – P. 2571–2574.

2. Burzo E., Chiuzbaian S.G., Chioncel L., Neumann M. Magnetic and electronic properties of the LaNi5-xCux system // J. Phys.: Condens. Matter. – 2000. Vol. 12, № 5. – P. 5897–5904.

3. Derkaoui S., Allibert C.H. Redetermination of the phase equilibria in the system Sm-Co-Cu for Sm content 0-20 AT. % AT 850 °C // J. Less-Common Metals. – 1989. Vol. 154, № 1. – P. 309–315.

4. Knyazev Yu.V., Lukoyanov A.V., Kuz’min Yu.I., Kuchin A.G. Effect of Cu-doping on the electronic structure and optical properties of LaNi5 // J. Alloys Compd. – 2011. Vol. 509, № 1. – P. 5238–5241.

5. Kuchin A.G., Ermolenko A.S., Kulikov Yu.A. et al. Magnetic properties of RNi5-xCux intermetallics // J. Magn. Magn. Mater. – 2006. Vol. 303, № 1. – P. 119–126.

6. Lokhande N.R., Chetal A.R. X-Ray Spectroscopic Study of the Compounds SmCu5 and SmCo5 // J. Phys. Soc. Jpn. – 1979. Vol. 47, № 2. – P. 614–619.

7. Rocco D.L., Amaral J.S., Leitão J.V. et al. Percolation processes and spin-reorientation of PrNi5-xCox // Phys. Rev. B. – 2009. Vol. 79, № 1. – P. 014428751–014428756.

8. Rus E., Coldea M., Pop I. Temperature dependence of the Knight shift and magnetic susceptibility for SmCu4 and SmCu5 intermetallic compounds // Phil. Mag. – 1981. Vol. 44, № 3. – P. 405–411.

9. Toliński T., Chełkowska G., Kowalczyk A. X-ray photoemission and magnetic studies of SmNi4M (M=Al, Cu, B) // Phys. B Condens. Matter. – 2006. Vol. 378–380, № 2. – P. 1114–1115.

10. Yao J., Isnard O., Morozkin A.V., Ivanova T.I. et al. Magnetic order and crystal structure study of YNi4Si-type NdNi4Si // J. Solid State Chem. – 2015. Vol. 222, № 1. – P. 123–128.

Группа интерметаллических соединений RNi₅ (где R является редкоземельным элементом) и их производные были тщательно изучены из-за различных интересных свойств, перспективных для практических применений, таких как магнитокалорический эффект, возможность хранения водорода и т. д. [5, 6, 8, 7, 10]. Их разнообразные магнитные и электронные характеристики связаны как с локализованными моментами ионов R, так и зонными электронами ионов Ni в гексагональной структуре CaCu₅ типа. Помимо изучения свойств бинарных соединений, изучению влияния частичного замещения редкоземельных металлов или никеля на физические свойства и электронную структуру привлекли значительное внимание исследователей. Например, замена Ni на некоторые р или d элементы в RNi₅ может существенно повлиять на некоторые их свойства в связи с изменениями в электронной структуре, эффектах кристаллического поля и обменных взаимодействиях. В частности, различные псевдобинарные соединения RNi_5-XM_X с М = Al, Ga, Si и Cu, как это показано в многочисленных исследованиях, демонстрируют значительные концентрационные зависимости кристаллических, электронных, магнитных и термодинамических свойств по сравнению с исходными соединениями. Изучение этих материалов представляет особый интерес из-за их способности поглощать и хранить атомарный водород. Было обнаружено, что замещение никеля в бинарных интерметаллических соединениях по некоторым металлам могут существенно влиять на характеристики сорбции водорода.

Значительные изменения некоторых свойств вследствие легирования были найдены также в ферромагнитной серии SmNi_5-xCu_x (температура Кюри T_C для бинарного SmNi₅ составляет 30 К [5]). Замена Ni на Cu сопровождается уменьшением спонтанного магнитного момента и увеличение коэрцитивной силы, что указывает на наличие эффектов электрического поля [5]. Также было показано, что T_C отражает немонотонную концентрационную зависимости с максимумом в точке х ~ 1. В рентгеновской фотоэмиссии тройного соединения SmNi₄Cu области валентной зоны показали особенности, связанные с примесью Cu [9]. В расчетах электронной структуры схожих соединений 3d электронные состояния меди располагаются вблизи 3.5 эВ [4].

Цель исследования

В этой статье мы приводим результаты первопринципных расчетов электронной структуры интерметаллидов SmNi_5-xCu_x (х = 0-5) с целью получения более глубокого понимания их спектральных характеристик и магнитных свойств.

Материалы и методы исследования

Соединения серии SmNi_5-xCu_x (x = 0-5) кристаллизуются в гексагональной структуре CaCu₅-типа (пространственная группа симметрии Р6/mmm). Элементарная ячейка содержит одну формульную единицу с атомом Sm в кристаллографической позиции 1а (0, 0, 0), два атома никеля или меди располагаются в позициях типа 2с (1/3, 2/3, 0) и три атома никеля или меди – в позициях типа 3g (1/2, 0, 1/2). В расчетах использовались экспериментальные величины параметров кристаллической решетки, приведенные в таблице. Для составов SmNiCu₄ и SmNi₂Cu₃ постоянные были получены интерполированием имеющихся экспериментальных данных для других концентраций x.

Расчеты электронной структуры выполнены в приближении локальной электронной спиновой плотности (LSDA). Использовался пакет программ TB-LMTO-ASA версии 47 [1] на основе метода линеаризованных маффин-тин орбиталей в приближении атомных сфер. Интегрирование методом тетраэдров осуществлялось по сетке k-точек в обратном пространстве. В орбитальный базис были включены маффин-тин орбитали, соответствующие 6s, 6p, 5d и 4f состояниям Sm, 4s, 4p и 3d состояниям Ni и Cu.

Результаты исследования и их обсуждение

Во всех проведенных расчетах магнитный (спиновый) момент иона самария составил около 5.5 магнетона Бора, в то же время ионы никеля и меди почти не обладают магнитным моментом (до 0.3 магнетона Бора на ион никеля и до 0.1 на ион меди). Кроме того, примеси меди приводят к еще большему сокращению спиновой поляризации практически немагнитных 3d состояний никеля. Полученные величины согласуются с величинами для аналогичных соединений [4].

Спин-поляризованные полная и парциальные плотности состояний (ПЭС) для SmNi_5-xCu_x (х = 0-5) соединений приведены на рис. 1 и 2. ПЭС от уровня Ферми до 4 эВ ниже уровня Ферми связана с Ni 3d электронов. Два острых пика принадлежат парциальным плотностям Sm пустых и заполненных 4f состояний. Точечные кривые на рисунках соответствуют заполненным Cu 3d состояниям, чьи ПЭС являются наиболее выраженными в диапазоне от – 2 до – 4 эВ. Интенсивность и ширина этой структуры становится больше при замене Ni на Cu. Расчетная максимальная энергия локализации примесей Cu 3d электронов в центре около 3.5 эВ близка к ранее полученным значениям для других соединений этого типа, где атомы Ni заменяются Cu [4].

Рис. 1. Полная (темная пунктирная кривая) и парциальные Sm (серые области в районе 0 и 3.5 эВ выше уровня Ферми), Ni (серая кривая) и Cu (светлые точки) плотности электронных состояний N (состояний/эВ на формульную единицу), рассчитанные для соединений SmNi₅ (верхний рисунок), SmNi₄Cu (центральный рисунок) и SmNi₃Cu₂ (нижний рисунок). Уровень Ферми соответствует нулю на шкале энергий E (эВ)

Библиографическая ссылка