[发明专利]一种稀磁合金材料RIn3-x

说明书

本发明公开了一种AuCu₃型结构的RIn_3‑xFe_x稀磁合金材料的制备方法，其包括以下步骤：(1)根据化学式RIn_3‑xFe_x的化学计量比配制R、In、Fe三种单质元素；(2)在惰性气体的保护下反复熔炼R、In、Fe三种单质元素，得到锭状合金；(3)将熔炼成的锭状合金装入惰性气体环境的真空石英玻璃管中，并将该石英玻璃管进行热处理；(4)取出热处理后的产品进行冷却，得到具有AuCu₃型结构的RIn_3‑xFe_x稀磁合金。本发明方法将3d过渡族磁性元素、4f稀土元素和半导体元素按照配比进行熔炼，通过控制热处理时的温度和时间，消除铸态时存在的杂相，由此获得了几乎没有杂相、成分均匀的具有室温铁磁性的AuCu₃型结构的RIn_3‑xFe_x稀磁合金材料。

技术领域

本发明属于稀磁合金材料制备技术领域，具体涉及一种AuCu₃型结构的 RIn_3-xFe_x稀磁合金材料及其制备方法。

背景技术

稀磁合金一般是由磁性元素(如：3d过渡族金属和4f稀土金属)和半导体元素组成的具有磁-电耦合作用的化合物。通过将操纵电子电荷自由度而应用于信息存储的半导体材料和通过操纵电子自旋自由度而应用于信息存储的磁性材料结合在一起，可使信息的处理和储存高度集成并且有可能通过向半导体中注入自旋极化电流来调控载流子的自旋态。这类材料在新型磁电、磁光和光电材料器件领域展现出非常广阔的应用前景，稀磁合金材料作为一种新兴的功能材料获得了广泛的关注。但是决定稀磁合金能否具有实际应用的关键是在室温以及高于室温时，能否依旧保持铁磁性。因此制备具有室温铁磁性的稀磁合金材料称为人们研究的热点。Lethuillier等人在1973年发现RIn₃体系中除PrIn₃具有亚临界磁有序外，其他所有合金化合物都具有低温反铁磁性，这个低温的温度区间大概为 4.5K到45K。在Z.Kletowski的研究之前，尽管已有明确的证据证明在这些化合物中晶体场和磁有序对磁学和电学性质的影响，但对它们的热电特性所知甚少。 Z.Kletowski的研究发现，在200K以上的温度区间，除了CeIn₃外其他化合物的热电力都随着温度升高而增高，根据它们在高温下的热电力性能表现可将这些化合物分成两组，一组是轻稀土，一组是重稀土，这两组化合物的不同热电力行为都可以用费米面的不同拓扑结构来解释。1971年NASU等人在1.5到4.2K的温度区间内对LaIn₃，PrIn₃，CeIn₃的比热进行研究时发现，LaIn₃在居里点TN＝0.7K 时呈现出超导特性。对TbIn₃的研究发现磁化率随温度变化，J.CRANGLE通过中子衍射的方式证实低于奈尔温度TN时TbIn₃呈现出反铁磁性并进一步测量出了该化合物的磁矩。随后，Lethuillier和Chaussy通过测量CeIn₃、PrIn₃和NdIn₃的顺磁磁化率曲线以及比热获得了相应的晶体场参数。对于TbIn₃、DyIn₃、HoIn₃和ErIn₃这些合金化合物，人们做了系统性地研究。1993年，Satoh等人发现RIn₃ (R＝La,Ce,Pr,Nd,Sm,Gd,Tb，Ho)化合物在0.2到2.2K温度区间的电子比热系数随着温度的升高而增加。在RIn₃体系中，PrIn₃在很大的温度范围内均呈现出范弗莱克顺磁，只有在极低温度下才表现出原子核反铁磁有序。其晶体场呈现出单重基态，低温磁化率和激发态能级分裂成反比，而与温度无关。Pr离子中4f电子层中未填充的两个电子使其形成了J＝4的多重基态，磁矩因而产生。PrIn₃的另一显著特征是，在In原子占位处拥有一个较大核四级相互作用 (e2qQ/h＝+228MHz)。大量的实验已经证实了NdIn₃化合物具有复杂的磁相图，其 TN＝5.9K。Czopnik和Czopnik等人发现在零场下NdIn₃在5.2K和4.7K时发生两个连续一阶磁性转变。在RIn₃体系中，GdIn₃具有最高的奈尔温度，TN＝45K，晶格参数值为AuCu₃型(空间群Pm-3m)的立方结构。当将GdIn₃的TN 的值与四方结构的GdxMIny(x＝1或2；y＝5或8；M＝Rh，Ir，Co)进行比较时，观察到有序温度的轻微变化，其中化合物GdIrIn₅(TN＝42K)和GdCoIn₅(TN＝30K)。与四方相相比，在与GdIn₃同构的SmIn₃中也能够观察到类似的特征，据此得出了单晶GdIn₃的磁性和传输性质。从磁化率的测量结果来看，有序排列温度(AFM) 可以估算为TN＝45K，对T41.5TN的居里-外斯行为没有偏差。磁化等温线表现出线性行为，这是AFM材料的特征。比热显示了一个明确的λ型磁异常特征，与 TN的磁转变类似。通过测量磁化率，在估计了CP的磁性贡献之后，计算磁熵，并确定它在TN处没有完全恢复(理论值)，这可能是由于存在对磁矩幅度和/或磁挫伤的调制。源于Gd离子的4f壳层电子结构。由于4f壳层电子半填充状态使得Gd离子轨道角动量被冻结(L＝0)，因而磁矩只能依靠4f壳层中未成对的电子。其有效磁矩为8.20μB，接近于Gd离子磁矩，这说明了有效磁矩主要由Gd 离子贡献。其顺磁居里-外斯温度为-85K。