Влияние примесных ионов Sm3+ и Dy3+ на анизотропные свойства гематита

Еремин, Евгений Владимирович

Влияние примесных ионов Sm3+ и Dy3+ на анизотропные свойства гематита тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

Еремин, Евгений Владимирович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Красноярск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2000 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.11 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Влияние примесных ионов Sm3+ и Dy3+ на анизотропные свойства гематита»

Автореферат диссертации на тему "Влияние примесных ионов Sm3+ и Dy3+ на анизотропные свойства гематита"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ИМ.Л.В.КИРЕНСКОГО

На правах рукописи

УДК 538.91-405; 537.611.44/45

РГБ ОД

Еремин Евгений Владимирович _ р»

■* -. I.<< '

ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСНЫХ ИОНОВ 5т3+ И Бу3+ НА АНИЗОТРОПНЫЕ СВОЙСТВА ГЕМАТИТА

01.04.11 - физика магнитных явлений

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Красноярск - 2000,

Работа выполнена в Институте физики им.Л.В.Киренского СО РАН.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Патрин Г. С.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

Ведущая организация: Сибирский физико-технический институт

(г.Томск).

на заседании диссертационного совета Д 002.67.02 по присуждению ученых степеней при Институте физики им.Л.В.Киренского СО РАН.

Адрес: 660036, г.Красноярск, Академгородок, ИФ СО РАН.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Института физики им.Л.В.Киренского.

профессор Бабкин Е.В.

Сибирская Аэрокосмическая Академия

(г.Красноярск);

кандидат физико-математических наук старший научный сотрудник Бадаев А. Д. Институт физики им Л.В.Киренского СО РАН (г.Красноярск).

Защита состоится « 3> » __

2000 года в ¿¿¿^

<-часов

' Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, профессор

ъз ЧЧ, ЪЧ^ОЪ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Современный уровень развития техники ставит перед исследователями задачи по созданию новых материалов и поиску эффектов, пригодных к практическому использованию. В настоящее время усилился интерес к магнитным материалам в связи с созданием многослойных магнитных пленок, открытием высокотемпературной сверхпроводимости, обнаружением гигантского магнитосо-протйвления как в пленках, так и в системах с электронным фазовым расслоением и эффектов, связанных с явлением бистабильности. Вещества, обладающие магнитными фазовыми переходами в температурном диапазоне, приемлемом для приложений, также являются вероятными кандидатами на предмет исследования их физических свойств.

Среди магнитоупорядоченных веществ большую часть составляют антиферромагнетики. Они обладаю богатым разнообразием наблюдаемых свойств и, в силу возможности управления: их составом, структурой, а также путем внешних воздействий, служат модельными объектами при изучении фундаментальных вопросов физики конденсированного состояния.

Кристаллы гематита и родственные им кристаллы (слабые ферромагнетики типа «легкая плоскость») являются перспективными материалами для создания устройств миллиметрового и субмиллиметрового диапазона электромагнитных волн, например, гематит уже нашел применение в акустоэлектронике и магнитоэлектронике.

друг друга, внедрение примесей может значительно менять величину, а также знак константы магнитной анизотропии. В литературе имеется множество работ, посвященных изучению влияния различных примесей на магнитные свойства гематита. Однако среди них отсутствуют какие-либо данные по гематиту, легированному примесями редкоземельных ионов. Долгое время считалось, что из-за того, что атомный радиус редкоземельных ионов (РЗ) почти в два раза больше атомного радиуса Бе3*, они не могут входить в матрицу гематита в количестве достаточном для того, чтобы как-то повлиять на его анизотропные свойства. Но нами было обнаружено, что легирование гематита всего ■ лишь ~0.01 ат. % ионами РЗ существенно меняет его магниторезонанс-ные и фотомагнитные свойства. Фактически можно говорить о создании новых магнитных материалов, когда путем варьирования сорта и содержания примеси можно получить вещества с заданными свойствами.

В ряду РЗ элементов, ионы диспрозия практически во всех известных соединениях проявляют очень сильные магнитные анизотропные свойства. Поэтому возник интерес к изучению модификации свойств кристаллов гематита при внедрении в него заведомо сильной анизотропной примеси. Ионы же самария, в зависимости от координации и химического состава окружения, могут проявляться либо как изотропные примеси, либо как сильно анизотропные. При этом нельзя наперед угадать, какое качество проявится. Именно изучению влияния примесных ионов диспрозия и самария на анизотропные свойства гематита и посвящено данное исследование.

Цель работы. Целью настоящей работы является экспериментальное и теоретическое исследование влияния примеси редкоземельных ионов на магнитные анизотропные свойства гематита методом магнит-

ного резонанса.

Научная новизна. 1) Методом магнитного резонанса впервые были исследованы кристаллы а-Ре2Оэ: Са,Бу и а-Ре203:Са,5т.

2) В кристалле гематита, легированного ионами галлия и диспрозия при Т = 13 К обнаружен спин-переориентационный фазовый переход в базисной плоскости, который является переходом первого рода.

3) Обнаружено, что легирование кристалла а-Ре203:Са ((За ~ 5 ат. %), находящегося в состоянии с магнитной анизотропией типа «легкая плоскость», ионами Бт3* в количестве ~ 0.01 ат. % приводит к переходу кристалла в состояние с магнитной анизотропией типа «легкая ось» при Т я 150 К (Н = 0).

4) В кристалле а-Ре203:Ста,8п1, когда устойчивым является лт »ферромагнитное одноосное состояние, обнаружен индуцированный магнитным полем переход типа «легкая ось - легкая плоскость», что для данного типа кристаллов обнаружено впервые.

Практическая ценность. Результаты проведенных исследований позволяют глубже понять механизм формирования и изменения магнитных свойств гематита, при легировании его примесными ионами.

Результаты и выводы, полученные в ходе проведенной работы, могут быть использованы в дальнейших разработках, направленных на конструирование материалов с заданными свойствами.

Защищаемые положения. 1) Экспериментальное исследование влияния примесных ионов самария и диспрозия на магнитные анизотропные свойства гематита методом антиферромагнитного резонанса. 2) Теоретическое объяснение особенностей температурных и ориента-ционных зависимостей резонансного поля в кристалле гематита с примесью галлия и диспрозия.

Апробация. Материалы диссертации были представлены на 7-ой Международной конференции по ферритам ( Бордо, 1996 г.); на Международной конференции по магнетизму (Мельбурн, 1997 г.); на XVI Международной школе-семинаре «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (Москва, 1997 г.); на Международном симпозиуме по магнетизму (Москва, 1999 г.).

Структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, двух приложений, заключения и списка цитируемой литературы. Диссертация изложена на 104-х страницах машинописного текста, включая 25 рисунков и одну таблицу. Библиографический список содержит 87 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы, сформулированы задачи и цель исследований. Приведены положения, выносимые на защиту, отражены их научная новизна и практическая ценность.

Первая глава является обзорной и посвящена спин-переориента-ционным фазовым переходам. Вначале рассматривается общая феноменологическая теория спин-переориентационных переходов. Отмечено, что для описания этих переходов хорошим приближением является термодинамическая теория фазовых переходов, разработанная Ландау и Лифшицем.

Затем • последовательно рассматриваются конкретные примеры спин-переориентационных переходов в редкоземельных ферритах гранатах, редкоземельных ортоферритах, гематите и борате железа. Показано, что причиной этих фазовых переходов может быть, либо конкуренция различных вкладов в магнитную кристаллографическую анизо-

тропик», либо особенность обменного взаимодействия между магнитными ионами, или же эти переходы могут быть индуцированы внешним магнитным полем.

Также рассмотрены особенности спин-переориентационных переходов при замещении магнитных ионов матрицы кристалла как диамагнитными, так и парамагнитными примесями в широком диапазоне концентраций.

Во второй главе дано описание экспериментальных установок, а также технологии выращивания примесных монокристаллов гематита.

В данной работе использовался спектрометр магнитного резонанса с системой автоматической подстройки частоты. В качестве источника СВЧ излучения использовался генератор на основе диода Ганна. Рабочая частота составляла {= 35 ГГц. Магнитное поле плавно менялось от О до 8-ми кЭ. В спектрометре предусмотрена возможность проведения исследований при низких температурах.

В представленной работе использовался и спектрометр магнитного резонанса с импульсным магнитным полем. Данный спектрометр обладает следующими характеристиками:

1) диапазон частот, использованных в настоящей работе, 37-95 ГГц;

2) напряженность магнитного поля до 100 кЭ при длительности импульса т = 10 мсек;

3) диапазон температур 4.2-300 К.

Все образцы, на которых проводились исследования, были синтезированы в лаборатории Резонансных свойств магнитоупорядоченных веществ Института физики им.Л.В.Киренского СО РАН. Автором были синтезированы монокристаллы гематита с примесью галлия и самария.

Кристаллы выращивались методом спонтанной кристаллизации из раствора в расплаве по стандартной технологии в висмут-натриевом растворителе. Шихта приготавливалась из порошков окислов. Технология синтеза кристаллов:

1) порошкообразная смесь шихты и растворителя нагревались в платиновом тигле до t ~ 1250° С и выдерживалась при данной температуре в течение суток;

2) после этого тигель резко охлаждался до t я 1150° С;

3) затем включался автоматический режим охлаждения со скоростью 1-2°/час;

4) и при t я 900° С печь выключалась.

Выращенные образцы получались в виде пластинок черного цвета, с зеркально металлическим блеском. Плоскость пластин совпадала с плоскостью перпендикулярной С-оси кристалла.

Для АФМР исследований образцы приготовлялись в виде пластинок размером 2-3 мм в диаметре и 0.2-0.4 мм толщиною. Для снятия упругих напряжений кристаллы отжигались при температуре 800-900° С в течении 12 часов.

В третьей главе вначале кратко описаны мапцггостатические и магниторезонансные свойства кристаллов гематита. Также обсуждается энергетическая структура ионов Sm3+ в кристаллическом поле низкой симметрии.

В силу конкуренции одно-ионной и дипольной анизотропии в номинально чистом гематите при Тм = 263 К наблюдается спин-переори-енгационный переход из легкоосного антиферромагнитного состояния в легкоплоскостное слабоферромагшшюе состояние (переход Мори-на). Даже небольшое количество диамагнитных и Зё-примесей заметно сдвигает Тм в область низких температур. Так легирование гематита

ионами галлия в количестве 5 ат.% делает кристалл слабоферромаг-шггным в плоть-до Т < 4.2 К.

Нг,

70 110 Т, К

Рис.1 Температурные зависимости резонансного поля кристалла а-Ре20,:0аДт. 1 - 1"= 44 ГТц, 2-Г=52ГГц, 3-1"= 72 ГГц, 4-Г= 78 ГГц. НЦС. Пунктиром обозначена предполагаемая граница раздела магнитных фаз.

Однако легирование кристалла а-РегОз^а ионами 5ш3+ в количестве -0.01 ат.% приводит к восстановлению перехода Морина. При проведении измерений параметров магнитного резонанса в геометрии эксперимента Н±С на частоте Г = 35 ГГц при понижении температуры замечено, что в данном соединении при температурах Т < 240 К заметно увеличивается магнитная анизотропия в базисной плоскости, при этом на гексагональную зависимость Нг накладывается одноосная ани-

кЭ

I-

3°СЮС«Х>,

"ООО,

,о°°0

, - °°°а_—-3 V

• ». 43 '

-Чх \

л.

збтропия и при Т » 160 К она уже хорошо заметна. Дальнейшее понижение температуры ведет к более выраженному проявлению одноосно-сти на фоне гексагональной зависимости, а при Т = 135 К происходит переход из легкоплоскостного состояния в одноосное.

Рис.2 Частотно-полевые зависимости для модели двухподрешеточ-ного коллинеарного антиферромапгетика 1,2 -Н1С, 3,4-Н||С. Точки - эксперимент для a-Fe203:Ga,Sm, линии - теория. 5 -эксперимент при HIC. Т = 78 К

На рис.1 приведены температурные зависимости резонансного поля (Нг) ангиферромагнигаого резонанса (АФМР), полученные на разных СВЧ, когда магнитное поле Н||С. Видно, что при фиксированной температуре частотно-полевой срез имеет характер типичный для одноосного двухподрепгеточного антиферромагнетика. Совокупность темпе-

ратурных зависимостей резонансного поля АФМР свидетельствует о том, что данный спин-переориентационный переход является фазовым переходом первого рода (об этом свидетельствует и температурный гистерезис Нг в окрестности перехода).

На рис.2 представлены частотно-полевые зависимости АФМР при Т = 78 К. Видно, что в случае Н||С частотно-полевые зависимости такие какие и следует ожидать у одноосного двухподрешеточного антиферромагнетика (кривые 3,4). Для такой магнитной структуры в ориентации Н1С должны наблюдаться зависимости типа кривых 1,2. Однако, как оказалось, в полях H < Н* на частотах, доступных нам, никакого резонанса не наблюдается. Резонансное поглощение возникает скачком при H > Н* и частотно-полевая зависимость имеет вид, приведенный на рис.2, кривая 5. Но такая зависимость скорее соответствует двух-подрешеточному антиферромагнетику с анизотропией типа «легкая плоскость».

Результаты эксперимента интерпретируются в предположении, что ионы самария в гематите, занимая позиции ионов железа, обладают сильно выраженными анизотропными свойствами, причём локальная ось квантования ионов Sm3+ совпадает по направлению с С-осью кристалла. При этом, поле анизотропии НА = Hh + Н^ (где Нь > 0 - поле анизотропии матрицы-кристалла a-Fe203:Ga, a HLT1 < 0 - поле ашво-тропии, создаваемое примесной, подсистемой) и внешнее магнитное поле H в геометрии HJLC оказывают конкурирующее действие на процесс установления направления магнитных моментов железной подсистемы, а в случае Н||С - по своему влиянию аналогичны.

В четвертой главе приведены результаты исследований параметров магнитного резонанса в кристалле a-Fea03:Ga(5 ar.%),Dy(0.05

ат.%). Измерения проводились на частоте СВЧ излучения £=35 ГГц, и постоянное магнитное поле лежало в базисной плоскости.

При проведении измерений температурных зависимостей резонансного поля АФМР на образцах а-Ре203:Са,Ву было зафиксировано, что в районе Тп= 13 К имеет место пересечение зависимостей, Соответствующих различным направлениям магнитного поля относительно выбранной оси (рис.3 кривые 3,4). Причем ширина линии СВЧ поглощения имеет резкий пик в точке пересечения. Эти данные и послужили указанием на возможный фазовый переход.

Измерения угловых зависимостей Нг вблизи точки перехода показали, что в данном соединении направление оси легкого намагничивания меняется скачком, а не в результате плавного поворота. Т.е., если пользоваться феноменологическим описанием, происходит смена знака константы магнитной кристаллографической анизотропии в базисной плоскости. При переходе через Т = Тп легкое направление намагниченности становится трудным и наоборот. Такое поведение, а также гистерезис величины резонансного поля в окрестности Тп при изменении направления температурной развертки дают основание классифицировать наблюдаемый эффект, как фазовый переход первого рода.

Полученные экспериментальные результаты оказалось возможным понять в рамках модельных представлений.

На основании анализа литературных данных по ЭПР редкоземельных ионов в изоморфных кристаллах а-А1203 было предположено, что ионы диспрозия занимают в матрице гематита места ионов железа без заметного искажения локальной симметрии. Далее, из того факта, что интенсивность сигнала СФМР практически не меняется во всей исследованной области температур, следует, что составляющая магнитного момента системы ионов железа лежит в базисной плоскости кристалла

(а именно ей определяется интенсивность сигнала) и при изменении температуры не меняется за счет выхода из плоскости, а это значит, что магнитный момент редкоземельного иона диспрозия все время находится в базисной плоскости кристалла.

Н„кЭ

Рис.3 Температурные зависимости резонансного поля кристалла а-ре203:0а,0у: теоретический расчет (кривые 1,2) и экспериментальные данные (кривые 3,4).

Основной мультиплет иона Бу3+ бНи/2 в кристаллическом поле низкой симметрии расщепляется на ряд крамерсовских дублетов, которые далее расщепляются в обменном поле. Поскольку для ^электронов расщеплению энергетических уровней в кристаллическом поле соответствует случай слабого кристаллического поля, то, для различных кислородных соединений в случае одинаковой локальной симметрии,

величины расщеплений различаются незначительно. Поэтому нами за основу был взят спектр иона Бу3+ в игтрий-диспрозиевом галлате-гра-нате.

Далее предполагалось, что примесные ионы равновероятно распределены по неэквивалентным позициям в кристалле, различающимся набором индексов {к = 1,2; в =1,2; I = 1.....б}= {р}, указывающих соответственно на следующее: принадлежность узла либо 1®*, либо 2™ подре-шетке; угол ±а, на который развернуты оси т] локальной системы координат в базисной плоскости относительно кристаллографических осей С2 (ось кристалла X или У); номер неэквивалентного узла внутри выбранной подрешетки. Тогда индексом д будем отмечать ионы, находящиеся в выбранной неэквивалентной позиции. Далее предположим, что оси квантования Ъ для ионов Б у3* в локальной системе координат совпадают с осями.

Магнитная энергия всего кристалла с учетом энергии примесной подсистемы имеет вид

w = wг+wE+wD+wA0+wAB+wй + 2;n!>q•EjX1-sт, (1)

где - зеемановская энергия, - энергия обмена, WD - взаимодействие Дзялошинского, '^о - энергия одноосной анизотропии, \Удв -энергия анизотропии в базисной плоскости, - вклад, ответственный за изотропную щель в спектре колебаний, ПрЧ - равновесные заселенности уровней, ЕрЧ - энергия 1и уровня, Б - энтропия системы.

Затем, в линейном приближении решается система уравнений Лан-дау-Лифшица, когда магнитное поле лежит в базисной плоскости, и из минимума свободной энергии (1) определяются равновесные значения углов намагниченности

При выборе подгоночных параметров учитывалось, что структура энергетических уровней такова, что для основного дублета магнитный момент имеет максимальное значение, а следующий и более высоко лежащие дублеты имеют магнитные моменты гораздо меньшие по величине. Это, с учетом больцмановского фактора заселения возбужденных уровней, позволяет упростить расчет второй производной от энергии примесной подсистемы по одному из углов <р - Рфф, оставляя только четыре нижних уровня, причем магнитными вкладом верхних дублетов можно пренебречь, заменяя их влияние введением эффективного

двукратно вырожденного уровня (Е*), у которого ц3,, = ЦрС| = 0 .

В данном случае обменное взаимодействие примесного РЗ иона диспрозия с железной подсистемой необходимо брать ферромагнитным, тогда как во всех известных оксидных соединениях железа обменное взаимодействие с РЗ ионами носит антиферромагнитный характер.

На рис.3 представлены теоретически рассчитанные температурные зависимости резонансного поля Нг для углов фн = 0 град, и ФН = 30 град, (кривые 1, 2). Видно, что, в общем, наблюдается неплохое согласие теории-и эксперимента, за исключением явно выраженного высокотемпературного максимума на экспериментальной кривой 3, связанного с вкладом высоко лежащих энергетических уровней, хотя и на теоретической кривой.максимум присутствует (кривая 1). Причиной несоответствия является то, что, магнитные моменты верхних уровней положены равными нулю. Тем не менее, на характере спин-переориен-тационного перехода и его местоположении по температуре при данном расположении уровней в энергетической шкале это не сказывается. Фактически небольшая величина теоретического максимума связа-

на с малым магнитным вкладом в энергию примесной подсистемы от верхних уровней, что в какой-то мере можно оправдать их малой заселенностью.

В заключении диссертации кратко сформулированы основные результаты работы:

1) Впервые методом спонтанной кристаллизации из раствора в расплаве синтезированы монокристаллы гематита, легированного ионами галлия и самария.

2) Обнаружено, что внедрение ионов самария в изначально легкоплоскостной кристалл a-Fe203:Ga приводит к восстановлению перехода Морина при Т « 150 К (Н = 0). Экспериментально показано, что данный переход является спин-переориентационным фазовым переходом первого рода.

3) В кристалле a-Fe203:Ga,Sm в области существования одноосного состояния обнаружен переход в состояние с анизотропией типа «легкая плоскость», индуцируемый магнитным полем.

4) Впервые в кристалле гематита с примесью ионов галлия и диспрозия при Тп = 13 К обнаружен спин-переориентационый переход в базисной плоскости. Показано, что фазовый переход носит характер перехода первого рода.

5) В рамках модели, когда матрица кристалла рассматривается в континуальном пределе, а ионы диспрозия рассматриваются как ква-зиизинговские с осью квантования, лежащей в базисной плоскости, объяснены особенности температурных и угловых зависимостей значений резонансного поля СФМР.

Результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1) Патрин Г.С., Волков Н.В., Еремин Е.В. Спин-переориентацион-ный фазовый переход в базисной плоскости в a-Fe203:Ga,Dy // Письма в ЖЭТФ,- 1996,-т.63- в.9,- с.694-697.

2) Patrin G.S., Volkov N.V., Eremin E.V. Influence of rare earth impurities the magnetic anisotropy of the hematite crystals // Abctr. Book for the Inter. Conf. on Ferrites. Bordeaux, France.. September 1996,- p.49.

3) Patrin G.S., Volkov N.V., Vasiliev V.N., Eremin E.V. Spin-reorientation phase transitions in hematite crystals by doping of rare eath ions // Abctr. Book for the Inter. Conf. on Magnetism. Cairins, Australia. July 1997,-p.87.

4) Patrin G.S., Volkov N.V., Vasiliev V.N., Eremin E.V. Spin-rcoricnla-tion transitions in the hematite crystals induced by doping with rare earth ions // Abctr. Book for the Inter. Sympos. on Magnetism. Moscow, Russia. June 1999,-p. 169. 1

5) Патрин Г.С., Еремин E.B., Васильев B.H., Шабалин А.И. Влияние ионов Sm на анизотропные свойства кристаллов a-Fe203:Ga // Препринт N 796Ф ИФ СО РАН, Красноярск.- 1999,- 18 с.

(The influence of Sm ions on anisotropic properties in the a-Fe203:Ga crystals // Solid State Communications.- 2000,- in print).

6) Патрин Г.С., Еремин Е.В., Шабалин А.И. Спин-переориентацион-ный переход в базисной плоскости в кристалле a-Fe203:Ga,Dy // Препринт N 793Ф ИФ СО РАН, Красноярск - 1999- 20 с. (ФТТ. - 2000. - т.42 - в печати).

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Еремин, Евгений Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. СПИН-ПЕРЕОРИЕНТАЦИОННЫЕ ПЕРЕХОДЫ В

РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ МАГНЕТИКАХ

1.1. Общие представления о фазовых переходах

1.1.1. Теория ферромагнитных превращений

1.1.2. Спин-переориентационные фазовые переходы

1.2. Спин-переориентационные переходы в редкоземельных ферритах-гранатах

1.3. Спин-переориентационные переходы в редкоземельных ортоферритах

1.4. Спин-переориентационные переходы в одноосных антиферромагнетиках

1.5. Выводы и постановка задачи

ГЛАВА II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И

ПРИГОТОВЛЕНИЕ ОБРАЗЦОВ

2.1. Спектрометр магнитного резонанса с системой автоматической подстройки частоты

2.2. Импульсный спектрометр магнитного резонанса

2.3. Приготовление образцов

2.4. Основные результаты

ГЛАВА III. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПЕРЕХОДА МОРИНА В

КРИСТАЛЛЕ a-Fe203:Ga,Sm

3.1. Магнитостатические и магниторезонансные свойства гематита

3.2. Магнитные свойства иона

3.3. Экспериментальные результаты

3.4. Обсуждение результатов

3.5. Основные результаты

ГЛАВА IV. СПИН-ПЕРЕОРИЕНТАЦИОННЫЙ ФАЗОВЫЙ ПЕРЕХОД В БАЗИСНОЙ ПЛОСКОСТИ В КРИСТАЛЛЕ a-Fe203:Ga,Dy

4.1. Экспериментальные результаты

4.2. Модельные представления

4.3. Расчет магнитного резонанса

4.4. Результаты и обсуждение-----k

4.5. Основные результаты

Введение диссертация по физике, на тему "Влияние примесных ионов Sm3+ и Dy3+ на анизотропные свойства гематита"

Актуальность темы. Современный уровень развития техники ставит перед исследователями задачи по созданию новых материалов и поиску эффектов, пригодных к практическому использованию. В настоящее время усилился интерес к магнитным материалам в связи с созданием многослойных магнитных пленок, открытием высокотемпературной сверхпроводимости, обнаружением гигантского магнитосопротивления как в пленках, так и в системах с электронным фазовым расслоением и эффектов, связанных с явлением бистабильности. Вещества, обладающие магнитными фазовыми переходами в температурном диапазоне, приемлемом для приложений, также являются вероятными кандидатами на предмет исследования их физических свойств.

Представляет интерес изучение гематита и с научной точки зрения, так как он, благодаря эффекту обменного усиления, является удобным объектом при изучении слабых индуцированных анизотропных взаимодействий. В силу того, что аддитивные вклады в магнитную кристаллографическую анизотропию гематита почти уравновешивают друг друга, внедрение примесей можег значительно менять величину, а также знак константы магнитной анизотропии. В литературе имеется множество работ, посвященных изучению влияния различных примесей на магнитные свойства гематита. Однако среди них отсутствуют какие-либо данные по гематиту, легированному примесями редкоземельных ионов. Долгое время считалось, что из-за того, что атомный радиус редкоземель

О | ных ионов (РЗ) почти в два раза больше атомного радиуса Fe , они не могут входить в матрицу гематита в количестве достаточном для того, чтобы как-то повлиять на его анизотропные свойства. Но нами было обнаружено, что легирование гематита всего лишь -0.01 ат. % ионами РЗ существенно меняет его магниторезонансные и фотомагнитные свойства. Фактически можно говорить о создании новых магнитных материалов, когда путем варьирования сорта и содержания примеси можно получить вещества с заданными свойствами.

Научная новизна. 1) Методом магнитного резонанса впервые были исследованы кристаллы а-Ре20з: Ga,Dy и a-Fe203:Ga,Sm.

3) Обнаружено, что легирование кристалла a-Fe203:Ga (Ga ~ 5 ат. %), находящегося в состоянии с магнитной анизотропией типа «легкая плоскость», ионами Sm3+ в количестве ~ 0.01 ат. % приводит к переходу кристалла в состояние с магнитной анизотропией типа «легкая ось» при Т « 150 К (Н = 0).

4) В кристалле a-Fe203:Ga,Sm, когда устойчивым является антиферромагнитное одноосное состояние, обнаружен индуцированный магнитным полем переход типа «легкая ось - легкая плоскость», что для данного типа кристаллов обнаружено впервые.

2) Теоретическое объяснение особенностей температурных и ориентацион-ных зависимостей резонансного поля в кристалле гематита с примесью галлия и диспрозия.

Заключение диссертации по теме "Физика магнитных явлений"

Основные результаты работы состоят в следующем.

4) Впервые в кристалле гематита с примесью ионов галлия и диспрозия при Тп = 13 К обнаружен спин-переориентационный переход в базисной плоскости. Показано, что фазовый переход носит характер перехода первого рода.

5) В рамках модели, когда матрица кристалла рассматривается в континуальном пределе, а ионы диспрозия рассматриваются как квазиизинговские с осью квантования, лежащей в базисной плоскости, объяснены особенности температурных и угловых зависимостей значений резонансного поля СФМР, когда магнитное поле лежит в базисной плоскости.

В заключение автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю доктору физико-математических наук, профессору Патрину Геннадию Семеновичу за руководство, постоянное внимание и всестороннюю помощь на всех этапах работы. Считаю своим долгом поблагодарить заведующего лабораторией Резонансных свойств магнитоупорядоченных веществ Института физики им.Л.В.Киренского СО РАН доктора физико-математических наук, профессора Петраковского Германа Антоновича за моральную поддержку и заботу на всем протяжении аспирантуры, а таюке сотрудников лаборатории кандидата физико-математических наук, старшего научного сотрудника Волкова Никиту Валентиновича и младшего научного сотрудника Васильева Виктора Николаевича за помощь в проведении экспериментов и синтеза примесных монокристаллов гематита. Я также признателен всем сотрудникам лаборатории РСМУВ за доброжелательные и дружеские отношения, чьи советы всегда были полезными.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе представлены экспериментальные и теоретические результаты исследований по влиянию редкоземельных ионов самария и диспрозия на анизотропные свойства кристалла гематита.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Еремин, Евгений Владимирович, Красноярск

1. Звездин А.К., Матвеев В.М., Мухин А.А., Попов А.И. Редкоземельные ионы в магнитоупорядоченных кристаллах,- М.: Наука, 1985,- 295 с.

2. Белов К.П., Звездин А.К., Кадомцева A.M., Левитин Р.З. Ориентационные переходы в редкоземельных магнетиках,- М.: Наука, 1979,- 317 с.

3. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика М.: Наука, 1964,- 247 с.

4. Вонсовский С.В. Магнетизм,- М.: Наука, 1971,- 1032 с.

5. Вонсовский С.В. Ферромагнетизм как проблема упорядочения // Изв. АН СССР: Сер. физ,- 1947,- т.11,- в.5,- с.485-496.

6. Звездин А.К., Матвеев В.М. Особенности физических свойств редкоземельных ферритов-гранатов вблизи температуры компенсации // ЖЭТФ,- 1972,- т.62,- В.1.- с.260-271.

7. Мицек А.И., Колмакова Н.П., Гайданский П.Ф. Метастабильные состояния одноосных антиферромагнетиков // ФТТ.- 1969.- т.11.- в.5,- с.1258-1253.

8. Белов К.П., Звездин А.К., Левитин Р.З., Маркосян А.С., Милль Б.В., Мухин А.А., Перов А.П. Спин-переориентационные переходы в кубических магнетиках. Магнитная фазовая диаграмма тербий-иттриевых ферритов-гранатов//ЖЭТФ.- 1975 -т.68,- в.З,- с.1187-1202.

9. Atzmony U., Dariel М.Р. Nonraajor cubic symmetry axes of easy magnetization in rare-earth-iron Laves compounds // Phys. Rev. В.- 1976,- v.13.- n.9.-p.4006-4014.

10. Белов К.П., Гапеев А.К., Левитин Р.З., Маркосян А.С., Попов Ю.Ф. Магнитная анизотропия и магнитострикция иттрий-тербиевых ферритов-гранатов // ЖЭТФ,- 1975,- т.68,- в.1,- с.241-248.

11. И.Бородин В.А., Дорошев В.Д., Клочан В.А., Ковтун Н.М., Левитин Р.З., Маркосян А. С. Исследование спин-переориентационных фазовых переходов в иттрий-тербиевых ферритах-гранатах методом ЯМР // ЖЭТФ,-1976.- т.70,- в.4,- с.1363-1378.

12. Перекалина Т.М., Фонтон С.С., Магакова Ю.Г., Восканян Р.А. Магнитная анизотропия феррита-граната эрбия // ФТТ,- 1971,- т. 13,- в. 11,- с.3202-3204.

13. Колачев Н.М., Колачева Н.М., Левитин Р.З., Перов А.П., Шляхина Л.П. Спин-переориентационные переходы в иттрий-самариевых и иттрий-эрбиевых ферритах-гранатах // ФТТ,- 1977,- т. 19,- в.2,- с.620-622.

14. Бородин В.А., Дорошев В.Д., Клочан В.А., Ковтун Н.М., Титова А.Г. Исследование спин-переориентационного фазового перехода в феррите гранате самария статическими методами и методом ЯМР // ФТТ,- 1976.-т.18,- в.7,- с.1852-1860.

15. Geller S., Balestrino G. Magnetic phase transitions in samarium iron garnet // Phys. Rev. В.- 1980,- v.21.- n.9.- p.4055-4059.

16. Бабушкин Г.А., Бородин B.A., Дорошев В.Д., Звездин А.К., Левитин Р.З., Попов А.И. Магнитные фазовые переходы в феррите-гранате самария. Гипотеза изинговского упорядочения // Письма в ЖТФ.- 1982,- т.35,- в.1,-с.28-31.

17. Бородин В.А., Дорошев В.Д., Левитин Р.З., Неквасил В., Орлов В.Н., Тарасенко Т.Н. Спин-переориентационные переходы в иттрий-самариевых ферритах гранатах // ЖЭТФ,- 1984,- т.86.- в.6,- с.2255-2261.

18. Бородин В.А., Дорошев В.Д., Тарасенко Т.Н. Ориентационная фазовая диаграмма кубических магнетиков при учете анизотропных взаимодействий восьмого порядка // ФММ,- 1983,- т.56,- в.2,- с.220-225.

19. Бабушкин Г.А,, Бородин В.А., Дорошев В.Д., Левитин Р.З., Орлов В.Н., Попов А.И., Тарасенко Т.Н. Спиновая переориентация в диспрозий-иттриевых ферритах-гранатах DyxY3.xFe50i2 // ЖЭТФ.- 1984,- т.87.- в.З,-с.989-998.

20. Lagutin A.S., Fedorov G.E., Vanacken J., Herlach F. Magnetic properties of dysprosium-ittrium ferrite-garnets in pulsed magnetic fields at low temperature // JMMM.- 1999,- v.195.- p.97-106.

21. Белов К.П., Волков Р.А., Горанский Б.П., Кадомцева A.M., Усков В.В. Природа переходов при спонтанной переориентации спинов в редкоземельных ортоферритах// ФТТ,- 1969,-т. 11,-в.5,- с.1148-1151.

22. Georgy Е.М., Remeika J.P., Hagegorn F.B. Magnetic behavior of some orthoferrites in the anisotropy change region // J. Appl. Phys.- 1968,- v.39.- n.2.-p.1369-1370.

23. Белов К.П., Кадомцева A.M., Овчинникова Т.Л., Тимофеева B.A., Усков В.В. Исследование переориентации спинов в ортоферрите неодима // ФТТ.-1971.- т.13,- в.2,- с.631-632.

24. Gorodetsky G., Livinson G.M., Strikman., Treves D. Direct observation of spin rotation in ErFe03 // Phys. Rev.- 1969,- v.187.- n.2.- p.637-638.

25. Wolf W.P. Rare-earth compounds // J. Appl. Phys.- 1969,- v.40.- n.3.-p.1161-1169.

26. Borzorth R.M., Kramer V., Remeika J.P. Magnetization in single crystals of some rare-earth ortoferrites // Phys. Rev. Lett.- 1958,- v.l.- n.l.- p.3-4.

27. Moldover M.R., Sjolander G. , Weghmann W. Second-order nature of the spin-reorientation phase transition in YbFe03 // Phys. Rev. Lett.- 1971.- v.26.- n.20.-p.1257-1259.

28. Белов К.П., Кадомцева A.M., Конькова Т.С., Леднева Т.М., Овчинникова Т.Л., Тимофеева В.А., Усков В.В. Магнитные свойства монокристаллов ортоферритов системы SmixTmx03 // Кристаллография,- 1969.- т.13,- в.1,-с.179-181.

29. Serwood R.S., Van Uitert L.G., Wolf R., Le Graw R.C. Variation of the reorientation temperature and magnetic crystal anisotropy of the rare-earth orthoferrites // Phys. Lett.- 1967.- v.25A.- n.4.- p.297-298.

30. Балбашев A.M., Козлов Г.В., Лебедев С.П., Мухин А.А., Пронин А.Ю., Прохоров А.С., Прохорова A.M. Необычное поведение частот магнитного резонанса в HoFe03 в области спиновой переориентации // Письма в ЖЭТФ,-1986,- т.43,- в.1,- с.33-35.

31. Воробьев Г.П., Кадомцева A.M., Крынецкий И.Б., Мухин А.А. О необычном характере спиновой переориентации в НоБеОз // ЖЭТФ,- 1989,- т.95,-в.З,- с.1049-1057.

32. Балбашев A.M., Козлов Г.В., Лебедев С.П., Мухин А.А., Пронин А.Ю., Прохоров А.С. Аномалии высокочастотных свойств и новые ориентационные переходы в HoFe03 //ЖЭТФ,- 1989,- т.95,- в.З,- с.1092-1107.

33. Белов К.П., Кадомцева A.M., Милов В.М., Лукина М.М., Овчинникова Т.Л., Хафизова Н.А. Необычные ориентационные переходы в ортоферрите иттрия с малыми добавками Со2+// ФТТ,- 1976,-т.18,- в.10,-с.3129-3130.

34. Белов К.П., Кадомцева A.M., Крэш Э., Лукана М.М., Милов В.Н., Шваб Э. Магнитное и нейтронографическое исследования переориентационных переходов в кобальтозамещенном ортоферрите иттрия // ЖЭТФ,- 1977,- т.72.-в.1.- с.363-368.

35. Кадомцева A.M., Москвин А.С., Востром А.Г., Ванклин Б.М., Хафизова Н.Л. Природа аномальных магнитных свойств ферритов-хромитов иттрия // ЖЭТФ,- 1977,- т.72,- в.6,- с.2289-2298.

36. Белов К.П., Звездин А.К., Кадомцева A.M., Крынецкий И.Б., Овчинникова Т.Л. Характер перехода из слабоферромагнитного состояния в антифрро-магнитное в ортоферритах// ФТТ.- 1974,- т.16,- в.9,- с.2615-2620.

37. Белов К.П., Звездин А.К., Кадомцева A.M., Крынецкий И.Б., Матвеев В.М. Влияние характера основного состояния редкоземельного иона на магнитные переходы в ортоферритах // ФТТ,- 1977,- т.19,- в.1.- с.259-268.

38. Белов К.П., Гапаев А.К., Кадомцева A.M., Крынецкий И.Б., Лукина М.М., Овчинникова Т.Л. Фазовые переходы при переориентации спинов в DyFeixCox03 // ФТТ,- 1974,- т.16,- в.8,- с.2422-2424.

39. Белов К.П., Кадомцева A.M., Крынецкий И.Б., Овчинникова Т.Л., Тимофеева В.А., Помирчи Л.М., Червонекис А.Я. Переходы связанные со спиновой переориентацией в монокристалле Hoo.sDyo.sFeOs // ЖЭТФ,- 1972,- т.63,-В.6.- с.2151-2154.

40. Воробьев Г.П., Кадомцева A.M., Крынецкий И.Б., Мухин А.А. Магнитная фазовая диаграмма ортоферрита гольмия при Н//Ь // ЖЭТФ,- 1990,- т.98,-В.5.- с.1726-1736.

41. Мицек А.И., Пушкарь В.Н. Реальные кристаллы с магнитным порядком -К.: Наукова думка, 1978,- 296.

42. Дзялошинский И.Е. Термодинамическая теория «слабого» ферромагнетизма антиферромагнетиков //ЖЭТФ,- 1957,- т.32,- в.6,- с.1547-1562.

43. Jacobs I.S., Beyerlein R.A. Field induced magnetic phase transitions antiferromagnetic hematite (a-Fe203) // Int. J. Magnetism.- 1971,- v.l.- p. 193208.

44. Besser P.J., Morrrish A.H., Searle C.W. Magnetocristalline anisotropy of pure and doped hematite // Phys. Rev.- 1967,- v.153.- n.2.- p.632-640.

45. Artman J.O., Murphy J.S., Foner S. Magnetic anisotropy in antiferromagnetic corundum-type sesequioxides // Phys. Rev.- 1965,- v.138.- n.3A.- p.1912-1917.

46. Васильев В Н., Смык A.A., Бондаренко Г.В. Особенности магнитной анизотропии гематита легированного примесями // Сб.: Магнитные и резонансные свойства магнитодиэлектриков, Красноярск, Иф СО АН СССР, 1985,- с.23-36.

47. Kaneko Т., Abe S. field-induced transitions in the hematite crystal // J. Phys. Sos. Japan.- 1965,-v.20.-n.ll.-p.2001-2006.

48. Львов В.А., Яблонский Д.А. Симметрия и спин-флип переходы в антиферромагнитных кристаллах // ФНТ.- 1982,- т.8,- в.9 с.951-962.50.0жогин В.И., Шапиро В.Г. Антиферромагнитный резонанс нового типа // Письма в ЖЭТФ,- 1967,-т.6,- в.1,- с.467-471.

49. Восканян Р.А., Левитин Р.З., Щуров В.А. Магнитные свойства монокристалла гематита в полях до 140 кЭ // ЖЭТФ,- 1967,- т.53,- в.2,-с.459-462.

50. Дорошев В.Д., Крыгин И.М., Лукин С.Н., Молчанов А.Н., Прохоров А.Д., Руденко В.В., Селезнев В.Н. Базисная магнитная анизотропия слабого ферромагнетика FeB03 // Письма в ЖЭТФ,- 1979,- т.29.- в.5,- с.286-289.

51. Патрин Г.С., Великанов Д.А., Петраковский Г.А. Изучение фотоиндуцированного магнетизма в кристаллах FeBC>3 на СКВИД-магнитометре // ЖЭТФ,- 1993,-т. 103,- в.1,- с.254-251.

52. Петраковский Г.А., Панкрац А.И., Соснин В.М., Васильев В.Н. Влияние легирования ионами Со2+ на резонансные и статические магнитные свойства гематита // ЖЭТФ,- 1983,- т.85,- в.2,- с.691-700.

53. Волков Н.В., Патрин Г.С. Модернизированный спектрометр магнитного резонанса твердотельным С.В.Ч. генератором // Препринт 1%35Ф ИФ СО АН СССР., Красноярск,- 1990.- 18 с.

54. Волков Н.В., Патрин Г.С. Твердотельный сверхвысокочастотный генератор с системой автоматической подстройки частоты // ПТЭ.- 1990,- в.5,-с.118-119.

55. Пул Ч. Техника ЭПР спектроскопии,- М.: Мир, 1970,- 557 с.

56. Лагутин А.С., Ожогин В.И. Сильные импульсные магнитные поля в физическом эксперименте,- М.: Энепгоатомиздат, 1988,- 192 с.

57. Панкрац А.И., Васильев В.Н. Исследование магнитоупругих свойств антиферромагнетиков резонансным методом в импульсных магнитных полях // Сб.: Резонансные и магнитные свойства магнитодиэлектриков, Красноярск, ИФ СО АН СССР, 1978,- с.243-250.

58. Восканян Р.А., Желудев И.С. Выращивание крупных монокристаллов гематита а-Ре20з из раствора в расплаве (флюса) Bi203+Na2C03 // Кристаллография,- 1967,- т. 12,- в.З,- с.539-540.

59. Крупичка С. Физика ферритов и родственных им магнитных окислов (том 1).- М.: Мир, 1976,- 354 с.

60. Боровик-Романов А.С. Изучение слабого ферромагнетизма на монокристалле МпС03 // ЖЭТФ,- 1959,- т.36,- в.З,- с.766-781.

61. Рудашевский Е.Г., Шальникова Т.А. Антиферромагнитный резонанс в гематите // ЖЭТФ,- 1964,-т.47,- в.З,- с.886-891.

62. Eliston P.R., Troup G.J. Some antiferromagnetic resonance measurements in a-Fe203 // J. Phys. C.- 1968,- v.l.- n.l.- p.169-178.

63. Morrison B.R., Morrish A.H., Troup G.J. High-field antiferromagnetic resonance in a-Fe//Phys. Stat. Sol. (b).- 1973,- v.56.- n.l83,- p. 183-195.

64. Foner S. High field antiferromagnetic resonance in Cr203 // Phys. Rev.- 1963.-v.130.- n.l.- p.183-197.

65. Foner S., Shapira Y. Magnetic phase transitions in pure a-Fe203 // Phys. Lett.-1969,- V.29A.- n.5.- p.276-277.

66. Абрагам А., Блини Б. Электронный парамагнитный резонанс переходных ионов (том 1).- М.: Мир, 1972,- 652 с.

67. Nekvasil V., Guillot М., Marchand A., Tcheou F. Single-ion theory of the magnetic phase transitions in SmIG // J. Phys. C 1985 - v.18.- n.18 - p.3551-3555.

68. Griinberg P., Hiifner S., Orlich E., Schmitt J. Crystal field in samarium and dysprosium garnets // J. Appl. Phys 1969- v.40 - n.3 - p.1501-1502.

69. Hill J.C., Wheeler R.G. Rat-infrared spectra of erbium , dysprosium and samarium ethyl sulfate // Phys. Rec.- 1969,- v. 152,- n.l.- p.482-494.

70. Jeferies C D., Larson G.H. Spin-lattice relaxation in some rare-earth salts. I. Temperature dependence // Phys. Rev- 1966-v.141- n.l-p.461-476.

71. Axe J.D., Dieke G.H. Calculation of crystal-field splittings of Sm3+ and Dy3+ levels in LuCl3 with inclusion of J mixing // J. Chem. Phys.- 1962 v.37 - n.10-p.2364-2371.

72. Патрин Г.С., Еремин Е.В., Васильев В.Н., Шабалин А.И. Влияние ионов Sm на анизотропные свойства кристаллов a-Fe203:Ga // Препринт N 796Ф ИФ СО РАН, Красноярск,- 1999,- 18 с.

73. Гуревич А.Г. Магнитный резонанс в ферритах и антиферромагнетиках.- М.: Наука, 1973,- 592 с.

74. Патрин Г.С., Волков Н.В., Еремин Е.В. Спин-переориентационный фазовый переход в базисной плоскости в a-Fe203:Ga,Dy // Письма в ЖЭТФ,- 1996.-Т.63 в.9 - с.694-697.

75. Patrin G.S., Petrakovskii G.A., Volkov N.V. Study of photoinduced properties in doped hematite single crystals via magnetic resonance // Phis. Stat. sol. (a).-1991-v.124 p.335-343.

76. Руденко В.В. Гексагональная анизотропия ромбоэдрических антиферромагнитных кристаллов со слабым ферромагнетизмом // ФТТ.-1980,- т.22 в.З - с.775-779.

77. Geschwind S., Remeika J.P. Paramagnetic resonance of Gd3+ in а-А120з.// Phys.Rev.- 1961,- v.122.- n.3.- p.757-766.

78. Samuelsen E.J., Shirane G. Inelastic neutron scattering investigation of spin waves and magnetic interaction in oc-Fe203 // Phys.stat.Sol.- 1970,- v.42 n.241.- p.241-258.

79. Кустов Е.Ф., Бондуркин Г.А., Муравьев Э.Н., Орловский В.П. Электронные спектры соединений редкоземельных элементов,- М.: Наука, 1981,- 303 с.