Исследование спектральных зависимостей эффекта Фарадея в редкоземельных ферритах-гранатах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. МАтТООПТИЧЕСЖЕ СВОЙСТВА РЕДКО ЗЕМЕЛЬНЫХ

ФЕРРИТОВ-ГРАНАТОВ.

§ I.I. Кристаллическая структура ферритов-гранатов

§ 1.2. Магнитные свойства ферритов-гранатов . II

§ 1.3. Оптические свойства ферритов-гранатов

§ 1.4. Распространение света в намагниченной среде

§ 1.5. Эффект Фа радея в ферритах-гранатах. а) гироэлектрический эффект Фарадея б) гиромагнитный эффект Фарадея.

§ 1.6. Исследования линейного магнитного двупреломления света в ферритах-гранатах

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ И ОБРАЗЦЫ.

§ 2.1. Экспериментальная установка.

§ 2.2. Спектральные зависимости оптического поглощения и эффекта Фарадея редкоземельных ферритов-гранатов и методика их обработки а) спектральные зависимости оптического поглощения редкоземельных ферритов-гранатов. б) спектральные зависимости поглощения редкоземельных ферритов-гранатов в линиях поглощения редкоземельного иона. в) спектральные зависимости эффекта Фарадея в редкоземельных ферритах-гранатах.

§ 2.3.Градуировка монохроматора и ошибки измерений

§ 2.4.Приготовление образцов

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА ФАРАДЕЯ В РЩКОЗЕМЕЯЬНЫХ

ФЕРРИТАХ-ГРАНАТАХ.

§ 3.1. Эффект Фарадея в Yb3Fe501£f &y3Fes0ie) TL,FesOi2) cL,FesOia, EusFesO«f SmsFes0laM Y3FesOia

§ 3.2. Эффект Фарадея в системе неодим-содержащих ферритов-гранатов

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОГО ЛИНЕЙНОГО ДВУПРЕЛОМ-ЛЕНИЯ СВЕТА И ДИХРОИЗМА ФЕРРИТОВ-ГРАНАТОВ ЕВРОПИЯ И ТЕРБИЯ В ОБЛАСТИ ПОЛОСЫ ПОГЛОЩЕНИЯ

§ 4.1. Магнитное линейное двупреломяение света и дихроизм феррита-граната европия в полосе поглощения редкоземельного иона.

§ 4.2. Магнитное линейное двупреломление света и дихроизм феррита-граната тербия в полосе поглощения редкоземельного иона.

ВЫВОДЫ.

Актуальность темы. Оптически прозрачные магнитоупорядоченные кристаллы находят в настоящее время широкое практическое применение в современной вычислительной технике, интегральной оптике, опто-электронике и т.п. Применение в элементах перестраиваемой оптики прозрачных кристаллов, среди которых ведущее место занимают редкоземельные ферриты-гранаты, связано с возможностью управления небольшими внешними магнитными полями их оптическими характеристиками, Успешное решение практических задач во многом связано с состоянием экспериментальных исследований физических свойств этих кристаллов, которые являются хорошим модельным объектом для изучения недостаточно разработанных проблем магнетизма и магнитооптики магни-тоупорддоченных кристаллов. Задачи выявления роли и характера различных механизмов, ответственных за поглощение света кристаллами ферритов-гранатов, и изучения их кристаллооптических свойств в области узких полос поглощения входящих в структуру ферритов-гранатов редкоземельных ионов, рассматриваемые в настоящей диссертации, относятся именно к вышеозначенным проблемам. Наиболее прямыми методами получения информации о физических свойствах, и в первую очередь, об электронной структуре магнитоупорядоченных кристаллов являются методы поляризационной магнитооптической спектроскопии. Исследование спектральных зависимостей эффекта Фарадея позволяет получить новую информацию о вкладах редкоземельной подрешетки в эффект Фарадея. Возрастание интереса к изучению эффекта Фарадея в редкоземельных ферритах-гранатах связано с тем, что в недавнее время наметились сдвиги в понимании роли различных механизмов магнитооптической активности этого класса ферримагнетиков. Исследование таких эффектов как магнитное линейное двупреломление и магнитный линейный дихроизм оказывается весьма эффективным для изучения электронных спектров редкоземельных ионов в структуре ферритов-гранатов, в которых наиболее отчетливо отображается все многообразие энергетических взаимодействий в ферримагнетиках. Величина этих эффектов в редкоземельных ферритах-гранатах достигает больших значений; эффекты еыявляют резко анизотропный характер, что особенно ценно при исследовании механизмов магнитного линейного двупреломления и дихроизма в ферритах-гранатах.

Цель и задачи работы. Цель диссертационной работы закоючалась в выяснении физических механизмов эффекта Фарадея в наиболее важных с научной и прикладной точек зрения редкоземельных ферритах-гранатах и феррите-гранате иттрия и изучению особенностей распространения света в кристаллах Eu3Pe50ia и Tb3Fe.s0i2. . Исследования эффекта Фарадея и поглощения проведены на типичных представителях трех групп редкоземельных ферритов-гранатов: I) с тяжелыми редкоземельными элементами Yb , , ТЬ ; 2) с элементами середины лантаноидного ряда Gel , Е w , S rn ; 3) с легким редкоземельным элементом Nd .

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- усовершенствовать высокочувствительную низкотемпературную магнитооптическую установку высокого разрешения для автоматической записи магнитооптических спектров проходящего через образец света;

- исследовать спектральные зависимости эффекта Фарадея и коэффициента поглощения ферритов-гранатов иттербия, диспрозия, тербия, гадолиния, европия, самария и иттрия в области 7500-20000 ом"*:

- исследовать спектральные, температурные и полевые зависимости эффекта Фарадея и спектральные зависимости коэффициентов поглощения системы неодим-содержащих ферритов-гранатов;

- исследовать в присутствии магнитного поля спектры линейно поляризованного света в полосе поглощения, обусловленной переходом TFb~TR> ионов ть3+ тербиевого феррита-граната;

- исследовать в присутствии магнитного поля спектры линейно поляризованного света в полосе поглощения, обусловленной переходом rF0-TFfe ионов Еи3+ европиевого феррита-граната.

Научная новизна. Результаты экспериментальных исследований интерпретируются на основе теории эффекта Фарадея, учитывающей влияние эффективных магнитных полей на расщепление основного и возбужденных мультиплетов редкоземельных ионов и смешивание волновых функций основного и возбужденных мультиплетов редкоземельных ионов;

- проведено исследование частотной зависимости эффекта Фарадея редкоземельных ферритов-гранатов: ,ТЬ , Gel ,Eu , Sm и иттриевого феррита-граната в интервале энергий 7500-20000 при температурах 82 К и 295 К; вцделен гироэлектрический вклад редкоземельной подрешетки в полный эффект Фарадея этих гранатов; установлены частотные зависимости магнитооптического коэффициента С^ , характеризующего эффект Фарадея, пропорциональный намагниченности редкоземельной подрешетки, и продемонстрирована непропорциональность гироэлектрического вклада редкоземельной подрешетки намагниченности подрешетки;

- впервые определена частотная зависимость температурно-неза-висмого эффекта Фарадея, обусловленного воздействием обменного поля подрешетки железа на редкоземельные ионы. Показано, что в ферритах-гранатах Yb3 Fe.s (Хг , GoL, Fe.s012. , Snrb Fe5 этот вклад играет основную роль;

- проведено исследование спектральных и полевых зависимостей эффекта Фарадея и поглощения системы неодим-содержащих ферритов-гранатов, установлено, что величина коэффициента поглощения при введении в матрицу железо-иттриевого граната ионов Ncl3+ в област ти 8000-16000 см х не возрастает, в то время как удельное вращение плоскости поляризации изменяется, увеличиваясь по абсолютной величине при увеличении концентрации Kid . Показано, что в неодим-содержащих ферритах-гранатах существенную роль в формировании эффекта Фарадея играет температурно-независимый диамагнитный эффект Фарадея. Природа аномально большой магнитооптической активности этих гранатов объясняется как результат (действия) совместного действия одинаковых по знаку и примерно равных по величине вкладов парамагнитного и диамагнитного механизмов эффекта Фарадея.

- определены частотные зависимости магнитооптической добротности неодим-содержащих ферритов-гранатов. Показано, что в феррите-гранате NldliTaYA)28 Fis Oia на лазерной длине волны 0.76 мкм магнитооптическая добротность составляет 2,0 град/о(В и увеличивается втрое при понижении температуры до азотной. На длине волны 1,064 мкм добротность неодим-содержащих ферритов-гранатов при Т = 295 К достигает нескольких десятков град/ol В ;

- при исследовании кристаллооптических свойств феррита-граната тербия в области полосы поглощения тFt,-TF0 ионов ТЬ3+ в геометрии Фохта ( к LX ) впервые экспериментально обнаружена невзаимность спектров магнитного линейного двупреломления и дихроизма при взаимной замене ориентаций вектора намагниченности X и электрического вектора световой волны Е для случая kll[ii03, Ill[li03, EHLooi] показано, что магнитное линейное двупреломление и дихроизм на этом переходе достигает значений ^ 10 ;

- исследования магнитного линейного двупреломления и дихроизма в феррите-гранате европия в области полосы поглощения TF0~ 7Fb ионов в геометрии Фохта ( k JL1 ) выявили невзаимность спектров МЛД для случаев:

Та£110] , ШШ01 , ЕГ|1[±1П ; kllCllO] , IllClii] , Elicooi] hTcIICIOOJ^IICooii, ElldiO]

Практическая ценность. Полученные в диссертационной работе результаты существенно расширяют представления о природе магнитооптических явлений в редкоземельных ферритах-гранатах. Проведенные исследования и результаты, полученные по частотной зависимости эффекта Фарадея и поглощению редкоземельных ферритов-гранатов представляют интерес для понимания механизмов формирования эффекта Фарадея в магнитных кристаллах и могут быть использованы в теоретических расчетах, учитывающих существенную роль диамагнитного вклада в эффект Фарадея. Результаты исследования частотной и полевой зависимостей эффекта Фарадея и частотной зависимости коэффициента поглощения системы неодим-содержащих ферритов-гранатов могут быть использованы при решении задач, связанных с синтезированием новых магнитных материалов с большой магнитооптической добротностью.

Полученные результаты позволяют глубже изучить природу магнитного линейного двупреломления в магнитоупорядоченных кристаллах и открывают возможности для обоснования интерпретаций исследованных особенностей кристаллооптики кубического магнитного кристалла. Найденные конкретные значения ШЩ могут быть использованы при создании элементов оптических перестраиваемых систем, в частности, при создании устройств управления лазерным излучением.

На защиту выносятся:

- результаты исследований спектральных, полевых и температурных зависимостей эффекта Фарадея и спектральных зависимостей коэффициента поглощения системы неодим-содержащих ферритов-гранатов;

- результаты исследований спектральных зависимостей эффекта Фарадея и поглощения редкоземельных ферритов-гранатов YbaFes0Aa,

Fes Cu2f ЕиЛ FesOi5>, <jcla Fes Oi*, Sm, F<lsO±z и феррита-граната иттрия;

- результаты исследований магнитного линейного двупреломления феррита-граната европия в области полосы поглощения редкоземельного иона То ~ т Рь , в том числе экспериментально обнаруженное различие спектров ЩЦ при взаимной замене ориентаций вектора намагниченности X и электрического вектора световой волны Е ;

- результаты исследований магнитного линейного двупреломдения и дихроизма феррита-граната тербия в области полосы поглощения иона TL>S+ ; в том числе экспериментально обнаруженное различие спектров МИД при взаимной замене ориентаций вектора намагниченности и электрического вектора световой волны.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на Всесоз-ной конференции по физике магнитных явлений (Пермь, 1981 г.), на Всесоюзной школе-семинаре "Новые магнитные материалы для микроэлектроники" (Донецк, 1982 г.), на Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений (Тула, 1983 г.), на Всесоюзном объединенном семинаре "Средства памяти на цилиндрических магнитных доменах (ЩД), физические свойства, характеристики и технические применения (Симферополь, 1983 г,).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в пяти работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и библиографии, изложенных на 125 страницах машинописного текста, содержит 34 рисунка и 4 таблицы.

ВЫВОДЫ

1. Проведено исследование частотной зависимости эффекта Фарадея редкоземельных ферритов-гранатов Yt>, , ТЬ , , Eu , Sm и т иттриевого феррита-граната в интервале энергий 7500-20000 см при температурах 82 К и 295 К; выделен гироэлектрический вклад редкоземельной подрешетки в полный эффект Фарадея этих гранатов; установлены частотные зависимости магнитооптического коэффициента Се , характеризующего эффект Фарадея, пропорциональный намагниченности редкоземельной подрешетки, и продемонстрирована непропорциональность гироэлектрического вклада редкоземельной подрешетки ее магнитному моменту.

2. Впервые определена частотная зависимость температурно-независимого эффекта Фарадея, обусловленного воздействием обменного поля подрешетки железа на редкоземельные ионы. Показано, что в ферритах-гранатах Yb3Fes0A2. , Gol3Fe.s0A2, , Sm^FesO^ этот вклад играет основную роль.

3. Проведено исследование спектральных зависимостей поглощения и спектральных и полевых зависимостей эффекта Фарадея системы нео-дим-содержащих ферритов-гранатов; установлено, что величина коэффициента поглощения при введении в матрицу железо-иттриевого граната ионов в области 8000-16000 см"*^ не возрастает, в то

- 113 время как удельное вращение плоскости поляризации изменяется, увеличиваясь по абсолютной величине при увеличении концентрации неодима. Показано, что в неодим-содержащих ферритах-гранатах существенную роль в формировании эффекта Фарадея играет температурно-независший диамагнитный эффект Фарадея. (природа аномаль) Сделан вывод о природе аномально большой магнитооптической активности этих гранатов, как результате совместного действия одинаковых по знаку и примерно равных по величине вкладов за счет парамагнитного и диамагнитного механизмов.

4. Определены частотные зависимости магнитооптической добротности неодим-содержащих ферритов-гранатов. Показано, что в феррите-гранате ^с^тгХ^аFes0i2. на лазерной длине волны 0,76 мкм магнитооптическая добротность составляет 2,0 град/dВ и увеличивается втрое при понижении температуры до азотной. На длине волны 1,064 мкм добротность не о,дж-содержащих ферритов-гранатов при Т = 295 К достигает нескольких десятков град/ dВ .

5. Исследования магнитного линейного двупреломления и .дихроизма в феррите-гранате европия в области полосы поглощения TF0-TFfa ионов Еи3+ в геометрии Фохта ( к 1Х ) выявили невзаимность спектров ШЩ для случаев: k II LHO]i 111 Ц11СЯДШШ; к II LiOO], XHLooil, ЕШЮ].

6. При исследовании кристаллооптических свойств феррита-граната тербия в области полосы поглощенияTFb-TF0 ионов ТЬ3+ в геометрии Фохта ( kJLX ) впервые экспериментально обнаружена невзаимность спектров магнитного линейного двупреломления и .дихроизма при взаимной замене ориентаций вектора намагниченности X и электрического вектора световой волны Е для случая k II [ПО] , I 11 [110] ,

Е II[001] . Показано, что магнитное линейное двупреломление и дихроизм на этом переходе достигают значений ^ 10"^.

В заключение выражаю глубокую благодарность моему научному руководителю профессору Г.С.Кринчику за предложенную тему диссертации, постоянное внимание и интерес к работе, доценту В.С.Гущину за внимание к работе, большую помощь в её выполнении.

- 115

1.Bertaut P., Forrat F. Structure des ferrites ferrimagnetiquesdes terrs rares.-Compt.Rend., 1956, v.242, n.3,pp.382-384. E.Geller S., Gilleo M.Structure and the ferrimagnetizm of yttrium and rare-earth iron garnets.-Acta Cryst. ,1957,v. 10,11 3,pp.239.

2. Espinosa G.P. J.Chem.Phys.,1962,v.37,pp.2344.

3. Крупичка С. Физика ферритов и родственных им магнитных окислов -М., "Мир", 1976, T.I.-353 с.

4. Walker L.R. Ferromagnetic resonance in terbium-dopped yttrium iron garnet.-J.Appl.Phys.,1962,v.33, N3S, pp.1243-1247.

5. Dillon J.P., Walker L.R. Perrimagnetic resonance in rare earth dopped yttrium iron garnet Tb subst.-Phys.Rev.,1961, v.124, pp.1401-1413.

6. Кринчик Г.С. Физика магнитных явлений Изд.МГУ, М., 1976. -367 с.

7. Ueel L. Interpretation des properties des ferrites ferrimagnetisme et antiferrimagnetizm.-Compt.Rend.,1954, v.239, N1, pp.8-10.

8. Geller S., Gilleo M. The crystal structure and ferrimagnetism of yttrium iron garnet,Y^Pe2(PeO^)^.-J.Phys.Chem.Sol.,1957,v.3, 11/2, pp.424-462.

9. Pautenet R. Les proprietes magnetiques des ferrites d'yttrium etde terres rares de formule Phys. ,1958, v.3,

10. И5-6, pp.424-462. ЦДее1 L. , Pautenet R. , Dreyfus Б. Progress in low temperat.phys. ,1964, v.4,p.344.

11. The magnetic properties of rare-earth ions in garnets.-J, Phys. Soc.Japan, 1962, v.17,Suppl.B-1, pp#443-448.

12. Geller S,, Williams H., Sherwood R., Remeika J., Espinosa G. Magnetic study of the ligher rare-earth ions in tje iron garnets. -Phys.Rev., 1963, v.133, H3, pp.1080-1082.

13. Geller S., Remeika J., Sherwood R., Williams H., Espinosa G. Magnetic study of the heavier rare-earth iron garnets.-Phys.Rev.3 1965, v.137, U3A,pp.1034A-1038A.

14. Harrison F.W., Thompson J., bang J.K. Singl crystal magnetizatioi data for anisotropic rare-earth iron garnets at low temperatures. -J.Appl.Phys., 1965, v.36, part 2, N3, pp.1014-1015.

15. Pickart S.J,, Alprin H.A., Clark A.E. Rare-earth sublattice canting in DylG, ErIG, YblG.-J.Appl.Phys., 1970,v.41, ИЗ» part 2, pp.1192-1193.

16. Dillon J.P. Optical properties of several ferrimagnetic garnets.--J.Appl.Phys.,1958, v.29, ИЗ, pp.539-541.

17. Wood D.L., Remeika J.P. Effect of impurities on the optical properties of yttrium iron garnet.-J.Appl.Phys., 1967, v.38, U3, pp. 1038-1045.

18. Scott G.B. The optical absorption and magneto-optic spectra of Y^Pe^O^g.-Scuola interaazionale di fisica "Enrico Fermi" ,Corso 7( Fisica dei granati magnetici. North-Holland Publ.Co., 1978,pp.445-466.

19. Кринчик Г.С., Горбунова Б.Д., Гущин B.C., Милль Б.В. Поглощение света в одноподрешеточных ферритах-гранатах ФТТ, 1980, т.22, в.1, с.264-266.

20. Писарев Р.В. Магнитное упорядочение и оптические явления в кристаллах. В кн. Физика магнитных диэлектриков под ред. Смоленского Г.А., "Наука" Ленинградское отделение, JI1974, с.356-451.- 117

21. Еременко В.Б. Введение в оптическую спектроскопию магнетиков -"Наукова думка", Киев, 1975.

22. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред.гитл, м.,

23. Старостин Н.В., Феофилов П.П. Магнитная циркулярная анизотропия в кристаллах УФН, 1969, т.97, в.4, с.621-655.

24. Smith D.Y. Comments on the dispersion relations for the complex refractive index of the circularly and elleptically polarized light.-J.Opt.Soc.America, 1976, v.66, И 5, pp.454-460.

25. Писарев P.B., Синий И.Г., Колпакова H.H., Яковлев Ю.М. Магнитное двупреломление света в ферритах-гранатах ЖЭТФ, 1971,т.60, с.2188-2202.

26. Смоленский Г.А., Писарев Р.В., Синий И.Г., Колпакова Н.Н., Титова Л.Г. Магнитное двупреломление в ферритах-гранатах -Изв.АН СССР, сер.физ., 1972, т.36 В 6, с.1219-1229.

27. Писарев Р.В. Поворот и деформация оптической индикатрисы кристаллов при вращении намагниченности ФТТ, 1975, т.17, с.1396-1404.

28. Смоленский Г.А., Писарев Р.В., Синий И.Г. Двойное лучепреломление света в магнитоупорядоченных кристаллах УФН, 1975, т.116, в.2, с.231-270.

29. Кринчик Г.С., Четкин М.В. Прозрачные ферромагнетики УФН, 1969, т.98, в.1, с.3-25.

30. Jonson В., Tehble R.S. The infra-red Faraday effect and g-values in rare-earth garnets.-Proc.Phys.Soc,, 1966, v.87, part 4, N 558, pp.935-944.

31. Buckingham A.D., Stephens P.J. Magnetic optical activity.-Annual Rep.Phys.Chem., 1966, v.17, pp.339-432.

32. Русск.перевод: Дткингэмм А., Стефенс П. Магнитная оптическая активность. В кн. Дисперсия оптического вращения и круговой дихроизм в органической химии. - М., Мир, 1970, с.399-428.35