Исследование магнитных свойств ферритов-шпинелей с фрустрированной магнитной структурой тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ I ССУДА. РСТВЕННЫЙ У1 ШПЕРСИТЕТ имени М.ГШЖ101К)С( )НД

_ р. ФИЗИЧЕСКИМ ФАКУЛЬТЕТ

1 7 О НТ 1398 На нравах рукописи

УДК" 538.245

КУКУДЖАНОВА ЕЛЕНА НИКОЛАЕВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ ФЕРРИТОВ-ШПИ! ШЛЕЙ С ФРУСТРИРОВАННОЙ МАГНИТНОЙ СТРУКТУРОЙ

01.04.11 - физика магнитных явлений

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических пау к

Москва 1998

Работа выполнена на кафедре общей физики для естественных факультето1 физического факультета МГУ им.М.В.Ломоносова

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук,

доцент, доцент Л.Г.Антошина

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

главный научный сотрудник, профессор Е.Е.Шалыгина

доктор физико-математических наук, профессор, профессор Ю.К.Фетисов

Ведущая организация: Государственный научно-исследовательский и

проектный институт редкометаллнчсской промышленности ГНЦ "Гиредмет"

Защита диссертации состоится «/У » иОЛОм 1998 г. в час

на заседании диссертационного совета № 3 ОФФТ /К.053.05.77/ в МГ^ им.М.В.Ломоносова по адресу: 119899, ГСП, Москва, Воробьевы горы, МГУ физический факультет, аудитория МП.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физическогс факультета МГУ им.М.В.Ломоносова.

Автореферат разослан « » РМмЯ&Л 1998

г.

Ученый секретарь

диссертационного совета № 3 ОФФТ /К.053.05.77/ в МГУ им.М.В.Ломоносова кандидат физико-математических наук V >*\ п О.А.Котелышкова

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБО ТЫ

Актуальность темы. В последнее время большое внимание уделяется изучению магнитных свойств веществ, имеющих фрустрированную магнитную структуру. Фрустрированная магнитная структура представляет собой структуру с порванными магнитными связями (фрустрация -разочарование). В результате разбавления магнитной структуры немагнитными ионами некоторые магнитные моменты могут выпасть из кооперативного взаимодействия и будут существовать как отдельные парамагнитные центры [1]. При дальнейшем разбавлении возникают отдельные спонтанно намагниченные области. Таким образом, в зависимости от степени разбавления фрустрированная магнитная структура может быть представлена либо как ферромагнитная матрица, в которой присутствуют отдельные парамагнитные центры, либо как отдельные спонтанно намагниченные области, образованные как дальним, так и ближним магнитным порядком.

В литературе имеется много сообщений об экспериментальных и теоретических исследованиях поведения магнитных свойств разбавленных сплавов, в то время как работ по изучению оксидных ферритов-шпинелей с фрустрированной магнитной структурой имеется очень мало. Однако, такие ферриты обладают необычными магнитными свойствами, которые отличаются от аналогичных свойств магнитных материалов с ферримагнитным упорядочением. Таким образом, проведение экспериментальных работ по изучению магнитных свойств ферритов с фрустрированной магнитной структурой крайне важно как для создания новых магнитных материалов для техники, так и для более глубокого понимания физики ферритов.

Разбавленные ферриты со структурой шпинели являются подходящими объектами для образования в них как состояния спинового стекла, так и фрустрированной магнитной структуры, так как в них могут иметь место

различные типы беспорядка и фрустрации [2]. Структура типа спиновое стекло представляет собой магнитные моменты, "замерзшие" в произвольных направлениях. В последнее время появились работы [3, 4], в которых структуру типа спиновое стекло нашли и в неразбавленных ферритах-шпинелях. Авторы этих работ предполагают, что ответственными за беспорядок и фрустрацию являются ионы С г'.

Экспериментальные работы по исследованию разбавленных ферритов-шпинелей посвящены, в основном, поиску в них состояния спинового стекла, и поэтому в низких температурах исследуются такие магнитные свойства как восприимчивость, намагниченность в слабом поле, вязкость, теплоемкость. Однако, ферриты, у которых еще существует дальний магнитный порядок, также могут обладать интересными магнитными свойствами. Поэтому в диссертационной работе мы ограничились такими соединениями. Также следует заметить, что при исследовании разбавленных ферритов-шпинелей очень мало внимания уделяется изучению поведения коэрцитивной силы, магнитострикции, магнитосопротивления и магнитной анизотропии этих ферритов.

Цель работы. Цель данной диссертационной работы заключалась в том, чтобы выяснить, как в медном феррите СиРе204 замещение ионов Ре3+ на немагнитные ионы ва3+ и А13+ приводит к трансформации его ферримагнитной структуры во фрустрированную. С этой целью при выборе объектов исследования были использованы результаты работы Пула и Ферача [5], в которой для ферритов-шпинелей были установлены области существования ферримагнетизма, парамагнетизма, антиферромагнетизма и фрустрированной магнитной структуры или спинового стекла в зависимости от замещения магнитных ионов на немагнитные в А- и В-подрешетках.

Вместе с тем представляло интерес выяснить, как в медном феррите СиРе204 замещение ионов Ре3+ на большое количество магнитных ионов Сг3+, между которыми в В-подрешетке возникает сильный прямой отрицательный

ВВ-обмен, отразится на характере магнитной структуры ферритов системы СиРе2^СгхО(.

Таким образом, в работе были поставлены следующие задачи:

1. Синтезировать ферриты-шпинели систем СиОахА1хРе2.2х04 (х=0.2; 0.3; 0.4; 0.5; 0.6 и 0.7) и Си0ахА12хРе2.зхО4 (х=0.1; 0.2; 0.3; 0.4 и 0.5), у которых, согласно работе [5], при замещениях х>0.5 в первой системе и х>0.3 во второй системе может возникнуть фрустрированная магнитная структура или состояние спинового стекла.

2. Исследовать магнитные, магнитострикционные и магнитоэлектрические свойства приготовленных ферритов.

3. Провести сравнение магнитных свойств ферритов, у которых, согласно [5], ожидается появление фрустрированной магнитной структуры, и ферритов, имеющих ферримагнитное упорядочение.

4. Исследовать магнитные и магнитоэлектрические свойства ферритов системы СиРе2-хСгхС>4 (х=1.0; 1.4 и 1.6) с большим содержанием ионов Сг3+, между которыми имеет место сильный прямой отрицательный ВВ-обмен, что может быть причиной возникновения фрустрированной магнитной структуры.

Научная новизна работы.

1. Впервые по керамической технологии были синтезированы образцы двух систем Си0ахА1хРе2-2ХО4 - система (I) (х=0.2; 0.3; 0.4; 0.5; 0.6 и 0.7) и СиСа^АЬхРег-зхО} - система (II) (х=0.1; 0.2; 0.3; 0.4 и 0.5) и исследованы их магнитные, магнитострикционные и магнитоэлектрические свойства.

2. Обнаружено, что у ферритов с х=0.5+0.7 системы (I) и с х=0.3+0.5 системы (II), у которых, согласно [5], может возникнуть фрустрированная магнитная структура, имеет место аномальное поведение спонтанной намагниченности а5(Т) и коэрцитивной силы ЩТ). Оказалось, что резкое уменьшение спонтанной намагниченности происходит при температурах (Тп) более низких, чем уменьшение коэрцитивной силы (Тс). Найдено, что

поведение производной спонтанной намагниченности по температуре dos/dT данных ферритов-шпинелей является аномальным: при повышении температуры величина da,/dT увеличивается, в некотором температурном интервале остается постоянной, затем снова уменьшается. Обнаружено, что у ферритов с х=0.6 и 0.7 системы (I) и х=0.4 системы (И) в районе температур Тп и Тс имеет место изменение энергии активации Еа.

3. Найдено, что у ферритов с х=0.6 системы (I) и х=0.4 системы (II) в районе температуры Тп, при которой происходит резкое уменьшение спонтанной намагниченности, отсутствуют экстремумы на температурных зависимостях магнитосопротивлений (AR/R)n и (AR/R)j_, которые обычно имеют место при переходе из структуры с дальним магнитным порядком в парамагнитное состояние.

4. Обнаружено, что у ферритов с х=0.5-г0.7 системы (I) и с х=0.3-ь0.5 системы (II) почти во всем исследованном интервале температур, начиная с малых магнитных полей, продольная Хц и поперечная магнитострикции имеют положительный знак и приблизительно равны по величине, что означает, что магнитострикция за счет технического намагничивания в них незначительна, а наблюдается, в основном, магнитострикция парапроцесса.

5. Сделано предположение, что такое аномальное поведение магнитных, магнитострикционных и магнитоэлектрических свойств образцов с х=0.5-И).7 системы (I) и с х=0.3-н0.5 системы (II) возможно связано с образованием фрустрированной магнитной структуры в данных ферритах.

6. Обнаружено, что поведение магнитных и магнитоэлектрических свойств ферритов-хромитов CuFe2.xCrx04 (х=1.0; 1.4 и 1.6) аналогично поведению этих свойств у образцов с х=0.5-ь0.7 системы (I) и с х=0.3-г0.5 системы (И): т.е. резкое уменьшение спонтанной намагниченности as происходит при более низких температурах (Тп), чем падение коэрцитивной силы (Тс); в достаточно большом температурном интервале зависимость crs(Т) имеет линейный характер; у ферритов с х=1.4 и 1.6 в районе температуры Т„

не наблюдается экстремума мапштосопротивлений, у состава с х=!.6 в районе температур Тс и Т„ происходит изменение энергии активации Па.

7. Сделано предположение, что аномальное поведение магнитных и магнитоэлектрических свойств ферритов системы СиРе2.хС1\04 (х=1.0; 1.4 и 1.6), может быть обусловлено наличием фрустрированной магнитной структуры в этих составах, появление которой связано с сильным отрицательным ВВ-обменом между ионами Сг1'. Практическая ценность результатов работы.

Полученные в диссертационной работе результаты необходимы как для построения физики ферритов с фрустрированной магнитной структурой, гак и для получения магнитных материалов с заранее заданными магнитными свойствами.

Особый интерес представляет результат о практически одинаковых температурных и нолевых зависимостях продольной Лц и поперечит"! Х± магнитострикций для образцов, обладающих фрустрированной магнитной структурой (составы с х=0.5 -ь 0.7 системы (I) и х=0.3-ь0.5 системы (К)). Из этих данных следует, что при наложении поля образец увеличивается почти одинаково как вдоль, так и поперек приложенного поля в большом температурном интервале. Такое поведение зависимостей А.ц(Т), ?-1(Т), ¡Ц(Н) и Хх(Н) в ферритах со структурой шпинели было обнаружено впервые. Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы представлялись и обсуждались на:

- Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ломоносов-96", секция "физика", Москва, МГУ, 12-14 апреля 1996 г.;

- XV Всероссийской школе-семинаре "Новые магнитные материалы микроэлектроники", Москва, 18-21 июня 1996 г.;

- 7 Международной конференции по ферритам, Бордо, Франция, 3-6 сентября 1996 г.;

- Международном Симпозиуме по ферритам в Азии - ISFA'97, Макухари, Чиба, Япония, 16-18 сентября, 1997 г.

- Международной конференции по мягким магнитным материалам 13 -SMM13, Гренобль, Франция, 24-26 сентября 1997 г.

- Всероссийской научно-практической конференции "Оксиды. Физико-химические свойства и технология", Екатеринбург, 27-31 января, 1998 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов и списка цитируемой литературы. Диссертация изложена на 163 страницах, включающих 118 рисунков и 1 таблицу. Список литературы состоит из 76 наименований.

II. СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении показана актуальность темы, сформулирована цель диссертационной работы.

Первая глава представляет собой литературный обзор. В ней содержится краткое описание кристаллографической структуры шпинели. Дан анализ обменных взаимодействий в ферритах со структурой шпинели. Рассмотрены статистические теории обменных взаимодействий ферримагнетиков. Дан обзор работ, в которых для соединений со структурой шпинели предложены диаграммы магнитного упорядочения в зависимости от содержания немагнитных ионов в октаэдрической и тетраэдрической подрешетках. Представлены основные модели спинового стекла. Также приведен обзор работ по исследованию оксидных ферритов-шпинелей с фрустрированной магнитной структурой.

Во второй главе описана технология получения образцов и методика эксперимента.

Образцы систем были приготовлены по керамической технологии. Образцы подвергались первому отжигу при температуре 750°С в течение 20

часов, второму - при температуре 900°С в течение 20 часов. Оба отжига проводились на воздухе с последующим медленным охлаждением.

Все приготовленные в данной работе образцы были однофазными. Экспериментальные методики, используемые в работе:

- установка для исследования намагниченности баллистическим методом в интервале температур от 80 до 700 К в магнитных полях до 10 кЭ;

- установка для измерения магнитострикции мостовым методом с помощью тензодатчиков в интервале температур от 80 до 400 К в магнитных нолях до 12 кЭ;

- установка для измерения магнитосопротивлсния и электросопротивления мостовым методом в интервале температур от 80 до 500 К в магнитных полях до 12 кЭ;

Полученные экспериментальные результаты приведены в третье» главе. В первом параграфе изложены полученные автором результаты исследования магнитных свойств ферритов системы CuGaxAlxFe2.24Oi- Для всех ферритов были проведены измерения намагниченности, коэрцитивной силы, магнитострикции. Для состава с х=0.6 также было измерено магнитосопротивление, а для образцов с х=0.6 п 0.7 - электросопротивление.

Было обнаружено, что у ферритов с замещениями х=0.5-ь0.7 имеет место аномальное поведение спонтанной намагниченности as(T) и коэрцитивной силы НС(Т). Оказалось, что резкое уменьшение спонтанной намагниченности происходит при более низких температурах (Т„), чем падение коэрцитивной силы (Тс). В достаточно большом температурном интервале (более 100 К) зависимость ст5(Т) является линейной функцией температуры. В качестве примера на рис. 1 представлены температурные зависимости спонтанной намагниченности os, коэрцитивной силы Нс и производной спонтанной намагниченности по температуре do/dT феррита CuGao.6A[o6Feo8Oi. Видно,

Рис. 1. Температурные зависимости спонтанной намагниченности ст5, коэрцитивной силы Ц и производной спонтанной намагниченности по температуре с1а5/с1Т феррита CuGao.6Alo.6Feo.8O4.

что при температуре Тп«340 К, которая была найдена путем экстраполяции линейной части кривой os(T) на ось температур, коэрцитивная сила продолжает оставаться достаточно большой и обращается в нуль лишь при более высокой температуре Тс~400 К (температура Кюри). Поведение производной dcs/dT в зависимости от температуры также является аномальным: при повышении температуры величина da,/dT увеличивается, в некотором температурном интервале остается постоянной, затем снова уменьшается.

Проведенные нами температурные исследования остаточной намагниченности аг для ферритов с х=0.5-5-0.7 показали, что во всем исследованном интервале температур ог не изменяет знак, т.е. наблюдаемое резкое уменьшение величины as при Т=Т„ не связано с температурой компенсации, а вызвано другой причиной.

Из измерений удельного электросопротивления для образцов с х=0.6 и 0.7 было обнаружено, что в районе температур Т„ и Тс наблюдается изменение энергии активации. Например, у феррита с х=0.6 при температуре Т-337 К происходит изменение энергии активации с 0.29 эВ до 0.33 эВ, а при температуре Т-400 К имеет место еще один скачок энергии активации с 0.33 эВ до 0.38 эВ.

Проведенные измерения продольного (AR/R)|| и поперечного (AR/R)j магнитосопротивлений для образца с х=0.6 показали, что зависимости (AR/R)||(H) и (AR/R)i(H), начиная с малых полей, имеют отрицательный знак и практически равны по величине. На рис. 2 для феррита CuGao.6Alo6Feo.8O4 представлены температурные зависимости спонтанной намагниченности ст5, продольной и поперечной магнитострикций (Н=12 кЭ), продольного (AR/R)ü и поперечного (AR/R)j_ магнитосопротивлений (Н=12 кЭ). Видно, что в районе температуры Тп, при которой происходит резкое падение спонтанной намагниченности, экстремумы на температурных зависимостях

Рис. 2. Температурные зависимости спонтанной намагниченности cjs.

продольной Хц и поперечной магнитострикций (Н=12 кЭ), продольного (AR/R)|| и поперечного (AR/R)i магнитосопротивлений (Н=12 кЭ) феррита CuGa0.6Alo.6Feo.804.

чагнитосопротивлений (AR/R)|| и (AR/R)i отсутствуют. Тогда как экстремумы та кривых (AR/R)n(T) и (AR/R)j.(T) должны иметь место при переходе из структуры с дальним магнитным порядком в парамагнитное состояние [6]. Следует заметить, что экстремумы на кривых (AR/R)||(T) и (AR7R)j_(T) отсутствуют также и при температуре Тс, при которой коэрцитивная сила обращается в нуль.

Найдено, что с увеличением замещения х вплйть до состава с х=0.4 коэрцитивная сила уменьшается резко, а потом ее падение замедляется. При этом, коэрцитивная сила Нс у ферритов х>0.4 почти на порядок меньше, чем у ферритов с невысокой концентрацией немагнитных ионов. Например, при температуре 80 К у состава с х=0.5 величина Нс=57 Э, тогда как у состава с х=0.2 - Нс=396 Э. На основании этого можно предположить, что разбавление приводит к уменьшению магнитной анизотропии ферритов.

Было обнаружено, что поведение изотерм Хц(Н) и Xi(H), а также температурных зависимостей Х,ц(Т) и X-i(T) носит различный характер для составов с х<0.4 и х>0.4. Оказалось, что у составов с х>0.4 в магнитных полях Н>1 кЭ почти во всем исследованном интервале температур зависимости ^ц(Н) и ЛДН) носят изотропный характер, т.е. магнитострикция за счет технического намагничивания в данных ферритах незначительна, а наблюдается, в основном, магнитострикция парапроцесса. На рис. 3, 4 в качестве примера приведены изотермы продольной Хц и поперечной ~К± магнитострикций для образца CuGao6A!o 6Fe01!04.

Кроме того, поведение Х,ц(Т) и Xi(T) (Н=12 кЭ) у ферритов с х>0.4 является аномальным: почти во всем исследованном интервале температур они имеют положительный знак и практически равны по величине. В качестве примера на рис. 2 для образца CuGao.6A)o.6FeasO<< даны температурные зависимости Лц(Т) и Xi(T) (Н=12 кЭ).

Найдено, что у образцов с х=0.3 и х=0.2 только в низких температурах имеет место значительная магнитострикция парапроцесса, которая с

Рис. 3. Изотермы продольной магнитострикции Хц феррита СиСа0.бА1о 6Ре0 804.

Н, кЭ

Рис. 4. Изотермы поперечной магнитострикции Аа феррита СиОа,,6А106Ре()8О4.

ювышением температуры сильно уменьшается, а при Т=293 К практически »тсутствует. При этом магнитострикция за счет технического намагничивания 1меет достаточную величину. Такое поведение магнитострикцнй обычно тблюдается у неколлинеармых ферримагнетнков п нпзкнч температурах, возникновение парапроцесса в них обусловлено неколлинеарной магнитной •трукгурои. Па основании полученных результатов можно предположить, что I образцов с х=0.2 и 0.3 введение немагнитных ионов приводит к )бразованшо неколлинеарною магнитного упорядочения в низких температурах.

Используя экспериментальные значения магнитострикцнй Х,ц и ),I (в голе Н=12 кЭ), для всех образцов были рассчитаны величины объемной со и шизотропной /.( магнитострикцнй в зависимости от температуры. Объемная со л анизотропная ~к\ магнитострикции рассчитывались по формулам со=/Ц+2А.1 и соответственно. Оказалось, что объемная магнитострикция образцов г х=0.5; 0.6 и 0.7 положительна и имеет значительную величину (при Т=80 К величина со~10"4), а анизотропная магнитострикция наоборот, отрицательна и очень мала во всем исследованном интервале температур.

Обнаружено, что в низких температурах для составов с х^О.2 и 0.3 объемная магнитострикция со почти в два-три раза меньше, чем со для образцов с х=0.5; 0.6 и 0.7, в то время как анизотропная магнитострикция ^ У ферритов с х=0.2 н 0.3 почти на порядок больше величины образцов с большим х во всем исследованном интервале температур.

Из анализа полученных экспериментальных результатов было обнаружено, что аномальное поведение магнитных и магнитострикционных свойств имеет место только у тех составов, которые, согласно диаграмме магнитного упорядочения [5], обладают фрустрированной магнитной структурой.

Из обработки изотерм намагниченности феррита с х=0.6, проведенной методом термодинамических коэффициентов Белова-Горяги, оказалось, что

ниже температуры Т=340 К, которая для данного образца приблизительно равна Т,„ должен возникать дальний магнитный порядок.

С другой стороны, при переходе феррита из парамагнитного состояния в ферримагнитное, в момент возникновения дальнего магнитного порядка и образования доменной структуры обычно имеет место рост коэрцитивной силы Нс. Однако, как видно из рис. 1, ниже температуры 370 К величина НС(Т) только слабо возрастает при охлаждении образца, не имея резкого роста при Т=340 К.

Кроме того, известно, что в точке Кюри на температурных зависимостях магнитосопротивления обязательно должен наблюдаться экстремум [6]. Причем, согласно [6], парапроцесс на изотермах магнитосопротивлений должен достигать наибольшей величины в районе точки Кюри. Однако при измерении магнитосопротивления образца с х=0.6 мы обнаружили с увеличением температуры только монотонное убывание величин (ДК/К)ц(Т) и (А11Ж)х(Т) (Н=12 кЭ) вплоть до температуры Тс (рис. 2). При этом величина парапроцесса на изотермах магнитосопротивлений ниже Тс с понижением температуры только монотонно возрастала. По поведению полевых и температурных зависимостей магнитосопротивлений (АЯЖ)ц и (А1УЛ)[, а также коэрцитивной силы НС(Т), можно предположить, что при Т=ТП не происходит образования доменной структуры, а при Т<ТП имеет место фрустрированная магнитная структура, которая, по-видимому, представляет собой отдельно спонтанно намагниченные области в матрице образца, образованные дальним магнитным порядком.

Подтверждением этого предположения служит аномальное поведение магнитострикций для ферритов с х>0.4 (рис. 2 - 4), имеющих большую магнитострикцшо парапроцесса, в то время как магнитострикция за счет технического намагничивания практически отсутствует. Это также подтверждает, что при Т<Т„ имеет место фрустрированная магнитная структура, и процесс намагничивания в данных ферритах, возможно,

условлен поворотом магнитных моментов отдельных спонтанно магннченных областей по полю.

Хотя моделей спинового стекла в литературе достаточно много [1-9], я объяснения наших экспериментальных данных лучше нсего подходит щель спинового стекла Ван Хеммепа [9]. Согласно [9], если п магнитном единении имеет место переход из парамагнетизма в структуру типа иновое стекло, то при дальнейшем понижении температуры должен иметь :сто второй фазовый магнитный переход из спинового стекла в ;рромагнитную или смешанную магнитную структуру (ферромагнетизм + иновое стекло). Однако, в природе идеального спинового стекла не ществует, а имеет место кластерное спиновое стекло, представляющее бой кластеры магнитных моментов, "замерзшие" и случайных правлениях. При этом, не исключено, что в данном случае кластеры ляются флуктуирующими (так как они имеют место при температурах 'О К) и область, обозначенная как "спиновое стекло" у Ван Хеммсна )едставляет собой флуктуирующие, а не "замерзшие" кластеры.

На основе наших экспериментальных данных и результатов работы Ван гммена [9] можно предположить, что при температурах Т(; и Тп имеют место 1а фазовых магнитных перехода: с понижением температуры при Гс юисходит фазовый магнитный переход из парамагнетизма в состояние, >едставляющее собой спонтанно намагниченные области ограниченных змеров, образованные ближним магнитным порядком (кластеры), а при Т„ -:реход из этой фазы во фрустрированную магнитную структуру.

Во втором параграфе изложены полученные автором результаты ¡мерений магнитных свойств ферритов системы Си0ахА12Х1;е.мх04 (х=0.1; 0.2; 3; 0.4 и 0.5). Для всех ферритов были проведены измерения шагниченности, коэрцитивной силы и магнитострикции. Для состава с х~0.4 кже были проведены измерения магнитосопротивления и ектросопротивления. Было обнаружено, что для составов с х>0.3, которые, >гласно [5], должны обладать фрустрированной магнитной структурой,

наблюдается аномальное поведение спонтанной намагниченности а5 коэрцитивной силы Нс, а также магнитострикции А. Оказалось, что Д1 составов с х=0.3; 0.4 и 0.5 резкое уменьшение спонтанной намагниченное: происходит при более низких температурах (Тп), чем падение коэрцитивне силы (Тс). В достаточно большом температурном интервале (более 100 I зависимость стДТ) является линейной функцией температуры. Кроме тог поведение производной спонтанной намагниченности по температуре с1а5/с является аномальным: при повышении температуры величина с1а5/с увеличивается, в некотором температурном интервале остается постоянно затем снова уменьшается.

Из измерений удельного электросопротивления образца с х=0.4 бы; обнаружено, что в районе температур Т„ и Тс наблюдаются изменения энерп активации: при температуре Т«413 К происходит изменение энерп активации с 0.34 эВ до 0.38 эВ, а при температуре Т«460 К происходит ей одни скачок энергии активации с 0.38 эВ до 0.47 эВ.

Обнаружено, что зависимости продольной Хц(Н) и поперечной Х±(1 магнитострикции для ферритов с х~0.3^0.5 в магнитных полях Н>1 кЭ пос: изотропный характер, что означает, что магнитострикция за счет техническо; намагничивания в данных ферритах незначительна, а наблюдается, основном, магнитострикция парапроцесса. Также поведение зависимост< Ац(Т) и ХДТ) у этих составов является аномальным: в достаточно больше температурном интервале они положительны и приблизительно равны I величине.

Обнаружено, что в низких температурах для состава с х=0.1 объемн. магнитострикция ю почти в два-три раза меньше, чем © для образцов с х=0. 0.4 и 0.5, в то время как анизотропная магнитострикция у феррита с х=0 значительно больше величины А* образцов с большим х во всс исследованном интервале температур.

Из обработки изотерм намагниченности феррита с х=0.4, проведенной методом термодинамических коэффициентов Белова-Горяги, оказалось, что ниже температуры Тг413 К, которая для данного образца приблизительно равна Т,„ должен возникать дальний магнитный порядок.

Однако, было обнаружено, что у феррита с х=0.4 в районе температуры Тп, при которой происходит резкое падение спонтанной намагниченности, отсутствуют экстремумы на температурных зависимостях отрицательных (А11Л1)|| и (АК/К)| магнитосопротивлений, которые обычно имеют место при переходе нз структуры с дальним магнитным порядком а парамагнитное состояние [6]. При этом величина парапроцесса на изотермах магнитосопротивлений ниже Т(- с понижением температуры только монотонно возрастала.

Из анализа полученных экспериментальных результатов выяснилось, что аномальное поведение магнитных и магнитострлкционпых свойств имеет место только у тех составов системы C1.1GaxAl2xFe2.3xO4, которые, согласно диаграмме магнитного упорядочения [5], обладают фрустрированной магнитной структурой.

Полученные экспериментальные данные для образцов системы СиСачАЬлРе2.зх04 с замещением х=0.1; 0.2; 0.3; 0.4 и 0.5 полностью аналогичны результатам, полученным для образов системы СаСахЛ1,17е:_2кО, с замещением х=0.2; 0.3; 0.4; 0.5; 0.6 и 0.7. Таким образом, сделано предположение, что наблюдаемое аномальное поведение магнитных, магнитострикционных и магнитоэлектрических свойств образцов системы Си0ачА12хРе2-зхО4 с х=0.3-г0.5 также возможно связано с образованием фрустрированной магнитной структуры в данных ферритах при Т<Т„.

На основе наших экспериментальных данных и результатов работы Ван Хеммена [9] можно предположить, что при температурах Т<- н Ти имени место два фазовых магнитных перехода: с понижением температуры при Тс происходит фазовый магнитный переход из парамагнетизма в состояние,

представляющее собой спонтанно намагниченные области ограниченны размеров, образованные ближним магнитным порядком (кластеры), а при Т„ переход из этой фазы во фрустрированную магнитную структуру.

Во третьем параграфе изложены полученные автором результат! измерений магнитных свойств ферритов системы СиРе2-хСгх04 (х=1.0; 1.4 1.6). Для всех образцов были проведены измерения памапшчешшсп коэрцитивной силы и магнитосопротивления. Также для состава с х=1,6 был проведены измерения электросопротивления.

Оказалось, что поведение магнитных и электрических свойст ферритов-хромитов меди (х=1.0; 1,4 и 1.6) носит характер аналогичны поведению этих свойств у образцов систем СиСахА1Л7е2.2хО.( Си0ачАЬуРе2-.1ХО4 с большой концентрацией немагнитных ионов: т.е. резке уменьшение спонтанной намагниченности ст5 происходит при более низки температурах (Г,,), чем падение коэрцитивной силы (Тс); в достаточи большом температурном интервале зависимость <т:,(Т) носит линейны характер; у составов с х=1.4 и 1.6 в районе температуры Т„ не наблюдаете экстремума магнитосопротивлений, у феррита с х=1.6 в районе температур 1 и Т„ имеет место изменение энергии активации Еа.

Проведенный анализ обменных взаимодействий позволь предположить, что такое аномальное поведение магнитных свойств возможи связано с образованием фрустрированной магнитной структуры в даннь: образцах, за возникновение которой ответственна конкурент отрицательных межподрешеточных АВ- и внутриподрешеточных В1 взаимодействий, самым сильным из которых является прямой отрицательно ВВ-обмен Сг3+в-Сг3+в.

На основе наших экспериментальных данных и результатов работы В; Хеммена [9] можно предположить, что при температурах Тс и Тп имеют мест два фазовых магнитных перехода: с понижением температуры при 1 происходит фазовый магнитный переход из парамагнетизма в состояни представляющее собой спонтанно намагниченные области ограниченнь

размеров, образованные ближним магнитным порядком (кластеры), а при Т„ -переход из этой фазы либо п ферримагнитнуго либо во фрустрированпуго магнитную структуру.

Было обнаружено, что величина экспериментального магнитного момента п01КСп образцов системы СиРе2.хСгх04 с х=0.0; 0.2; 0.3; 1.0; 1.4; 1.6 и 2.0 намного меньше, чем теоретическое значение магнитного момента п(, 1СОр, рассчитанного с использованием катионного распределения в ферритах-хромитах меди, предложенного в работе [10].

Было предположено, что большое различие между значениями п0 -же,, и по теор У образцов системы СиРе2.хСгх04 вызвано не только неколлинеарной магнитной структурой, но и уменьшением величины магнитных моментов ионов С г14 как в результате спаривания их ^-орбиталей в октаэдрической подрешетке, так и в результате переноса спиновой плотности от лигандов в пустые ег-орбитали ионов Сг3+. Кроме того, образование фрустриронанной магнитной структуры в ферритах с большим содержанием ионов хрома также может быть причиной их заниженных экспериментальных магнитных моментов по сравнению с теоретическими значениями.

III. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Впервые по керамической технологии были синтезированы образцы двух систем Си0ауА1хРе2.2х04 - система (I) (х=0.2; 0.3; 0.4; 0.5; 0.6 и 0.7) и СиСахА12хРе2.зх04 - система (II) (х=0.1; 0.2; 0.3; 0.4 и 0.5) и исследооаны их магнитные, магнитострикционные и магнитоэлектрические свойства.

2. Обнаружено, что у ферритов с х=0.5-И).7 системы (I) и с х~0.3-г0.5 системы (И) имеет место аномальное поведение спонтанной намагниченности ст5 и коэрцитивной силы Не. Оказалось, что резкое уменьшение спонтанной намагниченности происходит при температурах более низких (Т„), чем уменьшение коэрцитивной силы (Тс). Найдено, что поведение производной

спонтанной намагниченности по температуре с1ст5/с1Т данных ферритов шпинелей является аномальным: при повышении температуры величин (1о5/(1Т увеличивается, в некотором температурном интервале остаетс постоянной, затем снова уменьшается. Обнаружено, что у ферритов с х=0.6 ] 0.7 системы (I) и х=0.4 системы (II) в районе температур Т„ и Тс имеет мест! изменение энергии активации Еа.

3. Найдено, что у ферритов с х=0.6 системы (I) и х=0.4 системы (II) : районе температуры Т„, при которой происходит резкое умеиьшени спонтанной намагниченности, отсутствуют экстремумы на темперагурны: зависимостях магнитосопротивлений (АЯ/К)ц и (ДЯ/Я)_ь которые обычш имеют место при переходе из структуры с дальним магнитным порядком 1 парамагнитное состояние.

4. Обнаружено, что у ферритов с х=0.5-Я).7 системы (I) и с х=0.3-Н)..' системы (И) почти во всем исследованном интервале температур, начиная < малых магнитных полей, продольная Ац и поперечная Ах магшггострикцш имеют положительный знак и приблизительно равны но величине, чтс означает, что магнитострикция за счет технического намагничивания в ни> незначительна, а наблюдается, в основном, магнитострикция парапроцесса.

5. Найдено, что у ферритов с х=0.5-И).7 системы (I) и с х=0.3-^0.5 системы (II) объемная магнитострикция со в несколько раз больше, чем величина со у ферритов с небольшой концентрацией немагнитных ионов. Чтс касается анизотропной магнитострикции Хь то она у ферритов с х=0.5-Ю.'/ системы (I) и с х=0.3-г0.5 системы (II), наоборот, намного меньше, чем у ферритов с замещением х<0.4 системы (I) и х<0.3 системы (И).

6. Установлено, что коэрцитивная сила ферритов с х=0.5+0.7 системы (I) и с х=0.3-г0.5 системы (И) почти на порядок меньше коэрцитивной силы ферритов с небольшим содержанием немагнитных ионов.

7. Обнаружено, что с увеличением концентрации немагнитных ионов, ачиная с замещения х=0.4 системы (I) и х=0.2 системы (II), происходит езкое уменьшение магнитного момента ферритов.

8. Сделано предположение, что такое аномальное поведение магнитных, [агнитострикционных и магнитоэлектрических свойств образцов с х~ 0.5+0.7 истемы (I) и с х=0.3+0.5 системы (II) возможно связано с образованием в анных ферритах фрустрированной магнитной структуры.

9. Для ферритов системы CuFej.xCrx04 (х=1.0; 1.4 и 1.6) были проведены емпературные измерения спонтанной намагниченности ст5, коэрцитивной илы Нс, магнпгосопротивления AR/R и электросопротивления R. Оказалось, то поведение магнитных и магнитоэлектрических свойств ферритоп-ромитов аналогично поведению этих свойств для образцов с х-0.5+0.7 истемы (I) и с хЮ.3+0.5 системы (II): т.е. резкое уменьшение спонтанной [амагниченности происходит при более низких температурах (Т„), чем [адение коэрцитивной силы (Тс); в достаточно большом температурном интервале зависимость crs(T) имеет линейный характер; у ферритов с х=1.4 и .6 в районе температуры Т„ не наблюдается экстремума шгнитосопротивлений, у состава с х=1.6 в районе температур Тс и Тп [роисходит изменение энергии активации Еа.

Сделано предположение, что аномальное поведение магнитных и тгнитоэлектрических свойств ферритов системы CuFe2.xCrx04 (х=1.0; 1.4 и .6), может быть обусловлено наличием фрустрированной магнитной труктуры в этих составах, появление которой связано с сильным арицательным ВВ-обменом между ионами Cr34.

10. Впервые показано, что у ферритов системы CuFe2.xCrx04 заниженные начения экспериментального магнитного момента л0 „с, по сравнению с еоретическими По те0р вызваны не только неколлинеарной магнитной труктурой, но и уменьшением величины магнитных моментов ионов Сг3+ как : результате спаривания их ^-орбиталей в октаэдрической подрешетке, так и

в результате переноса спиновой плотности от лигандов в пустые сЕ-орбитал: ионов Сг3+.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах

1. Л.Г.Антошина, Е.Н.Кукуджанова

"Исследование магнитных свойств ферритов системы CuGaxAlxFe2.2)<04" Тезисы докладов XV Всероссийской школы-семинара "Новые магнитны) материалы микроэлектроники", Москва, 1996 г., с. 361-362

2. Л.Г.Антошина, А.Н.Горяга, Е.Н.Кукуджанова

"Исследование магнитных и электрических свойств ферритов системь CuFe2.xCrx04 с большим содержанием ионов Сг3+"

Тезисы докладов XV Всероссийской школы-семинара "Новые магнитны« материалы микроэлектроники", Москва, 1996 г., с. 357-358

3. L.G.Antoshina, A.N.Goiyaga, E.N.Kukudzhanova

"The magnetic structure of the spin glass type in the samples of systen CuFe2.xCrx04"

7th International Conference on Ferrites, Bordeaux '96, France, 1996. Abstracts P. 107

4. Л.Г.Антошина, А.Н.Горяга, Е.А.Камзолов, Е.Н.Кукуджанова "О природе низкотемпературных переходов в феррите CuFe204" ЖЭТФ, 1996, т. 110, вып. 6(12), с. 2087-2092

5. Л.Г.Антошина, А.Н.Горяга, Е.Н.Кукуджанова, И.А.Фильгус

"Об аномальном поведении магнитных свойств ферритов системь CuFe2_xCrx04 с большим содержанием ионов Сг3+" ЖЭТФ, 1997, т. 111, вып. 5, с. 1732-1737

6. А.Н.Горяга, Л.Г.Антошина, Е.Н.Кукуджанова

"О магнитном моменте иона Сг3+ в ферритах-хромитах со структуро{ шпинели"

Зестник Московского университета. Серия 3. Физика, Астрономия. 1997, № 5, :. 64-65

'. L.G.Antoshina, E.N.Kukudzhanova,

(The formation of the spin glass state in the ferrite system CuGaxAlxFe2-2X0|». nternational Symposium on Ferrites in Asia'97, Japan, September 16-18. 1997, tbstracts, published.

i. L.G.Antoshina, A.N.Goiyaga, E.N.Kukudzhanova

'Obtaining of magnetic soft ferrites by creating frustrated magnetic structure in hem."

I. Phys. IV France, 1998, v. 8, p. Pr2-339-Pr2-341 Л.Г.Антошина, А.Н.Горяга, Е.Н.Кукуджанова

'Влияние ионов Сг3+ на магнитный момент ферритов системы CuFe2-xCrx04"

УГТ, 1998, т.40, № 1, с. 99-100

10. Л.Г.Антошина, Е.Н.Кукуджанова

'Магнитные и магнитострикционные свойства ферритов системы 2uGaxAlxFe2.2x04"

Гезисы докладов Всероссийской научно-практической конференции "Оксиды. Физико-химические свойства и технология". Екатеринбург, 1998 г., с. 19-20.

II. Л.Г.Антошина, Е.Н.Кукуджанова

'Исследование магнитных свойств ферритов системы CuGaxAl J'e: ^Of с фрустрированной магнитной структурой", ФТТ, 1998, т.40, № 8, с. 1505-1509 12. L.G.Antoshina, A.N.Goryaga, E.N.Kukudzhanova

'Magnetostriction of ferrite of the system CuGaxA!xFe2.2x04 (x=0.5) with frustrated structure".

}. Magn. Magn. Mater., 1998, v. 188, № 1-2, p. 228-232

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА:

1.M.A.Gilleo "Superexchange interaction in ferrimagnetic garnets and spine which contain randomly incomplete linkages" J. Phys. Chem. Solids, 1960, 1 p. 33-39.

2. J.Villain "Insulating spin glasses" Z. Physik В, 1979, 33, р.31 -42.

3. H.Mohan, I.A.Shaikh, R.G.Kulkarni "Magnetic properties of the mixed spin CoFe2.xCrx04" Phys. B, 1996,217, p. 292-298.

4. К.П.Белов, А.Н.Горяга, Р.Р.Аннаев, А.И.Кокорев и А.Н.Лямзин "С аномальном поведении магнитных свойств феррита-хромита CoFeCrO ФТТ, 1989,31, №5, с. 117-122.

5. С.Р. Poole and H.A.Farach "Magnetic phase diagram of spinel spin-glasses". . Phys. B, 1982,47, p. 55-57.

6. К.П.Белов "Электронные процессы в ферритах", М. Издательство MP 1996.

7. D. Sherrington and S. Kirkpatrick "Solvable model of a spin-glass". Phys. Re Lett., 1975,35, № 26, p. 1792-1796.

8. M.Gabay and G.Toulouse "Coexistence of spin glass and ferromagnet ordering". Phys. Rev. Lett., 1981,47, № 3, p. 201-204.

9. J.L. van Hemmen "Classical spin glass model". Phys. Rev. Lett., 1982, 49, № p.409-412.

10. H.Ohnishi and T.Teranishi, "Crystal distortion in copper ferrite-chromi series", J. Phys. Soc. Jap., 1961,16, № 1, p.35-43.

Участок множительной техники ОНЦ РАМН

Заказ /26

Тираж 100 экз.