Одновременная гамма, рентгеновская и электронная мессбауэровская спектроскопия поверхности и объема магнитоупорядоченных кристаллов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ХИМИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ИМ.Н.Н.СЕМЕНОВА

Р Г 8 071 - 1\ ДПР 133<"|

на правах рукописи

КАМЗИН АЛЕКСАНДР СЕРГЕЕВИЧ

УДК 537.622:536.4

ОДНОВРЕМЕННАЯ ГАММА, РЕНТ/ЕНОВСКАЯ И ЭЛЕКТРОННАЯ МЕССБАУЭРОВСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ОБЪЕМА МАГНИТОУПОРЯДОЧЕННЫХ КРИСТАЛЛОВ

(специальность 01.04.07 - физика твердого тела)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва 1394

Работа выполнена в Физико-техническом институте им.Л.Ф.Иоффе Российской Академии наук, Санкт-Петербург.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук профессор

доктор физико-математических наук профессор

доктор физико-математичоских наук профессор

Г.Н.Белозерский,

Г.С.Кринчик,

И.П.Суздалов.

Ведущая организация - Институт физических проблем

им.п.п.капицы ран.

Защита состоится О^г^Ф&Р 1994 г. в часов

на заседании специализированного совета д 002.26.04 при институте химической физики им.Н.Н.Семенова РАН по адресу: 117334, г!Москва, в-334, гсп-1, ул.косыгина, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института химической физики им.Н.Н.Сеыенова РАН ,

Автореферат разослан •■ {8 •• марта_5994 г.

Учений секретарь специализированного совета Д 002.26.04 /

кандидат химических наук [ ■ А.В.Волынска«

СБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Важность роли поверхности в формировании свойств ферромагнетиков впервые была отмечена ещо в 1335 г. Л.Д.Ландау и Е.м.Лившицем и в 1953 г.Л.Неелем. Однако, все возрастающий ннтерес к свойствам поверхности э таком обширном к пассе твердых тел, как магкитиью материалы, наблюдается с начала 70-->; голов. Первыми работами по теоретическому изучению фазового перехода в магнитоупорядо ченное состояние поверхности макроскопического кристалла были исследования /1,2/. в /1/ м.м.Каганов,используя феноменологический подход, предсказал, чю при определенных условиях на поверхности кристалла при температурах выше точки Кюри должен существовать макроскопический магнитный момент, экспоненциально уменьшающийся в глубину образца. В /3/ м.и.Каганов теоретически рассмотрел процессы,,наблюдаемые на поверхности, при слии-переориентационнои фазовом переходе в объеме кристалла я показал, что переориентация магнитных моментов в объеме кристалла сопровождается переориентационными процессами на поверхности образца, но гтоисходят они по-рапному;

3 настоящее время теоретических описания магнитных свойств поверхности достаточно много. Результатов экспериментальных исследований меньше потому, что существовавшие традиционные методы но позволяли изучать свойства поверхности макроскопических кристаллов из-за невозможности разделения сигналов от тонкого поверхностного слоя и объема кристалла. Применение традиционных методов (на примере высококачественных сверхтонких пленою, а также использование новых (спектроскопия спин-поляризованных фотоэлоктро-, нов, спин-поляризованная электронная спектроскопии и др.) позволило получить ряд интересных и важных результатов о магнитных свойствах поверхности.

Тем не менее, для полного и глубокого пеныемшя споГ/ ги поверхности, для установления связей между спсРлпчтж поверхности и объема кристалла, необходимы исследования поворхноощих и л он макроскопических образцов, особый шптрос продставляют процессы, наблюдаемые на поверхности при магнитных фазовых порох-ил* !• объеме кристалла. Однако, для изучения свойств попирхичли а использужтся разные методы и сопос гппить результаты ^хено-

риментов ложно было лишь косвенно.

Развитие классических (магнитооптических, мессбаузрорских) экспериментальных методов позволило использовать их для изучения свойстз поверхностных слоев. Применение одного и того же метода дало возможность напрямув сравнивать результаты о поверхности с данными, полученными при исследованиях объема кристалла.

С помощью магнитооптического метода, разработанного для исследований поверхностных слоев Г.с.крикчиком с соавторами, было показано /4/: модельными объектами для экспериментального изучения поверхностной анизотропии и обусловленного этой анизотропией поверхностного магнетизма являются антиферромагнегики со слабым ферромагнетизмом, обладающие малым результирующим магнитным моментом; намагниченности поверхности и объема антиферромагнетиков со слабим ферромагнетизмом отличаются /4,5/. Этим новым методом исследовались спин-переориентационные фазовые переходы на поверхности ортоферритов и их взаимосвязь с ориентационными переходами в объеме этих кристаллов. Развитие теории поверхностного магнетизма /4/ позволило оценить толщину "переходного" поверхностного слоя, в пределах которого происходит изменение ориентации магнитных моментов /<1.!}/-

С начала 70-х г. для изучения свойств тонких и сверхтопких пленок или поверхностных слоев толщинсп до -ЗООич <в случае ^Ре) широко используется мессбауэровская спектроскопия (КС) с регистрацией конверсионных и оаз-электронов п геометрии обратного рассеяния (метод конверсионное электронной КС - КЭМС), возникающих после резонансного поглощения гамма-квантов. Традиционную неосбау:»ро[)скук> спектроскопию (ТИС) с регистрацией гамма-квантов в геометрии пропускания их через образец удобнее использовать для изучения объемных свойств. Прикенение ТИС для изучения пленок или поверхностных слоев требует специального обогащения образцов резонансными атомами.

Так, с помощью нессбауэровских исследований были получены сведения о магнитных структурах поверхности различных магнетиков, исследованы параметры сверхтонких взаимодействия для поверхностных к объемных ионов. Было показано, что ход теыпоратуриоя зависимости намагниченности пленки зависит от ее толщины и что ве-т:1чши нчгннтнего момента нома *е;;еза зависит от расстояния, па

котором находится этот ион от поверхности.

Однако, сравнение результатов экспериментов о поверхности с данными, полученными даже тем же методом для объема образца, не всегда возможно потому, что для измерений используются разные спектрометры, в одном исследуются свойства поверхности, в другом - объема. Следовательно, условия, в которых находится образец, могут быть разными.

Таким образом, для дальнейшего понимания явления поверхностного магнетизма, для изучения процессов, наблюдаемых на поверхности кристалла при фазовых переходах в объеме образца, необходимо развитие исследования. Для проведения таких исследования требуются новые экспериментальные методы, которые позволяли бы одновременно извлекать информацию о свойствах поверхности и объема макроскопического кристалла. Кроме того, необходимы знания об изменении свойств кристалла по мере приближения к поверхности. Следовательно, экспериментальный метод должен обеспечивать проведение послойного анализа поверхностного слоя.

На основании вышеизложенного задачи диссертационной работы были сформулированы следующим образом. Цель диссертационной работы.

1) Исследования поверхностных и объемных магнитных свойств анти-феррснагкнтных макроскопических кристаллов на примере соединений семейства боратов (к«во , Ре во и Ре са во ).

г з з о а-х у а

г) При анализе полученных результатов ставилась задача как изучения магнитных свойств поверхностных слоев в сравнении со свойствами объема кристалла в широкой области температур, так и исследования процессов, имеющих место на поверхности .макроскопических кристаллов при магнитных фазовых переходах в объеме образцов.

3) Исследовать возможности методов месобауэровской спектроскопии с целью создания нового метода, позволяющего одновременно -изучать свойства поверхности и объема макроскопических кристаллов.

Основные положения, выносимые на защиту.

' 1. Разработанный метод одновременной мосебауэроиекпе гш-'к г по сконин с регистрацией вторичных электронен, рентгеновских к«п«п и -излучения, позволяющий одновременно последовать цок-руно-г»^-»

и объомные сзойства кристалла. Созданная экспериментальная аппаратура для -проведения таких исследований.

¿. Результаты комплексного изучения поверхностных, приповерхностных и объемных свойств ант»ферромагнитных макроскопических кристаллов, полученные с использованием разработанного метода на примере соединений семейства боратов.

2.1. Результаты экспериментальных исследований магнитной структуры поверхности и объема кристаллов, показавшие, что магнитные моменты ионов железа, расположенных на поверхности и в объеме образца, ориентированы но параллельно друг другу. Угол этой разорионтации растет по мере приближения к поверхности кристалла.

2.2. Данные экспериментальных исследований, указывающие на то, что в поверхностных слоях макроскопических антиферромагнитных кристаллов механизм спин-переориентационного фазового перехода отличается от механизма переориентации в объеме кристалла. Эти отличия усиливаются по мере приближения к поверхности.

2.3. Данные о критическом поведении антиферромагнитных кристаллов семейства боратов, показавшие, что температура перехода в парамагнитное состояние понижается по мере приближения к поверхности. в области температуры ь«еля возникает состояние, когда объем кристалла магнитоупорядочен, а поверхность - парамагнитна.

2.4.Результаты экспериментальных исследований, указывающие на существование поверхностного слоя -критической" толщины, в пределах которого происходит изменение свойств кристалла от объемных к поверхностным.

Научная новизна. 1) Впервые, на основании данных экспериментальных исследований поверхностных слоев и объема макроскопических кристаллов получены результаты, указывающие как на различия магнитных структур поверхности и объема, так и на то, 1 о поведение магнитной системы на поверхности и в объеме при фазоьых переходах отличаются.

2> В работе предложен и разработан новый метод "Одновременная гамма, рентгеновская и электронная мессбауэровская спектроскопия" (ОГГ'ЭНС), позволяющий прочодить одновременные исследования свойств поверхностного, приповерхностного слоев и объема .макроскопических кристаллов. Нетод основан на измерениях эффекта Нес-содуэрз при регистрации гамма-излучения, рентгеновских квантов и

етори«ных электронов, имеющих разную длину прооега в вещество. Практическая ценность работы

1>. Результаты работы вносят существенный вклад как в понимание свойств поверхности в области магнитных фазовых переходов, так и с понимание связей поверхностных и объемных магнитных фазовых переходов 9 кристаллах. Ряд экспериментальных результатов, полученных в работе, подтверждает выводы теоретических исследований, выполненных ранее. Другие результаты требуют развития теоретических подходов с использование« нсвых концепций.

2). В работе экспериментально исследована и реализована возможность использования эффекта мессбауэра для изучения поверхностных и объемных свойств материала одновременно. Предложенный и разработанный метод ОГРЭМО может быть использован для сравнительного изучения свойств поверхности и объема массивных кристаллов, а также магнитных пленок, перспективных для создания иоентелэп информации на новых принципах записи.

Апробация полученных результатов. Результаты, полученные в диссертации, • докладывались на Международных конференциях по применению эффекта м^сбауэра (Рукит>-\-\<Л7, Ссср-1983; Венгрия- 198В; Канд-да-1993), на международных семинарах СССР-ФРГ и Россия-ФРГ по моссбауэровской спектроскопии (Ереван-1977 и 1980; Дугааибе-1981, Суздаль-1987; Москва^1992), на международном .¿онгрессс ампера ссср-,978, на Международно!» конференции "Физика переходных могал-лов" (СССР-1968), на Всесоюзных конференциях но физике магнитных явлений (Донеик-1977, Псрмь-1981, Тперь-1988, Гашкэнт-1991), Всесоюзных конференциях по прикладной месе^аузровсхой спектроскопии (Москва- 1988; Ижевск- 1983 и 1933; Каэань-1990), Всесоюзных кон-< ференциях по ядэрно-спектроскопнческим исследованиям сгв (Москва-1988 и 1993; Грозный 1989, Алма-Ата-1990), всесоюзном совещании по когерентному взаимодействию излучения с веществом (Цахкадзоп-1981; Ужгород-1983; Юрмала- 1988; Ллушта-1990); на межотраслевом семинаре "Физика поверхности- г.киев-1933, па научных сенинарах ФТИ иы.А.Ф. Иоффе ран, ИХФ РАН, ИФП им.П.П.Капицы ран, МГУ им.М.В.Ломоносова, с НПО "Докой" п Ст.-Петербурге

Публикации. По геме диссертации опубликовано 39 почащмх работ /1-39/, список которых лриведии в конце гуфорага, а глк*е в 10 тезисах докналов на вышеуказанных конференциях.'

Сгруктура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы, включающего 173 названия, и изложена на 235 страницах машинописного т«ко;а, в юм числе 71 рисунок и 4 таблицы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирсЕаны цели и задачи диссертационной работы, изложены осчовьыс результаты, выносимые на защиту, показана их научная новизна и практическая ценность.

3 первой главе проводится обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных изучению свойств поверхности магнитных материалов. Из множества публикаций выбраны работы, наиболее ярко и полно характеризующие достижения экспериментальных методов и теоретические объяснения этих явлений.

Ьо второй главе описан метод одновременной гамма, рентгеновской и электронной нессбауэровской спектроскопии (ОГРЭМС), предложенный и разработанный в диссертационной работе.

Традиционную мессбауэровскук спектроскопию (ТИС) с регистрацией гамма-квантов (ГК), прошедших через образец, удобнее применять для изучения объемных свойств. Связано это с тем, что хорошее соотношение сигнал/шум в экспериментальном спектре получается при использовании кристаллов без специального их обогащения резонансными атомами. Объемность образца определяется длиной пробега гамма-излучения в веществе.

При измерениях эффекта Нессбауэра с регистрацией конверсионных и оае-электронов (далее вторичных электронов - ВЭ) и рентгеновского характеристического излучения (РХИ), возни" ^юцих после резонансного поглощения гамма-квантов ыессбаузровск«*ш атомами, информация извлекается из поверхностного слоя толщиной (для случая и'Ге> до - зоо нм или до ~ 12 икм, соответственно. МессЭауэ-ровская спектроскопия с регистрацией РХИ называется конверсионной рентгеновской НС (KPMC).

Таким образом, методой ТМС можно изучать свойства объема, а свойства поверхностного слоя того же образца можно исследовать методом КГ>МС. Для изучения слоев тола,иной в несколько м;ск можно

применять метод КР»1С. Однако, использование этих методов по отдельности I не удовлетворяет исследователей по следующие причинам: 1) перестановка обоазца существенно снижает надежность результатов эксперимента; 2) регистрация ТМ-, КЭИ- и КРМ-спектров по отдельности требует гюлыних затрат времени на эксперимент. Кроме того, остро стоит вопрос разработки метода КЭМС для измерения в области температур, отличной от комнатной. Необходимость послойных исследований поверхности кристаллов требует простых и эффективных устройств для анализа вторичных электронов по энергиям.

В результате анализа способов измерений эффекта мессбауэра, была предложена схема, реализующая одновременную регистрацчк этих излучений, а именно: гамыа-кванты в геометоии пропускания гамма-излучения через исследуемый кристалл, а рентгеновское излучзние и вторичные электроны в геометрии обратного рассеяния от кристалла.

Универсальный детектор, разработанный на основе предложенной схемы измерений, показан на рис.1, гамма-излученио, прошедшее от источника (И) через исследуемый образец <0> и отверстие в нагревателе, регистрируется в счетчике Г. Детектор Е, в котором находится обр зен, регистрируем только электроны потому, что рабочнн газ не чувствителен к рентгеновским и гамма-квантам. Рентгеновское излучение, испускаемое мессбауэровским источником, отсекается фильтрами или использованием многокамерных или тороидальных сче1:-чакоэ/. Эффективность регистрации >-излучения с эноргиеп 14.4ЮВ детектором X сведена до минимума подбором толщины рабочей чпиоры этого счетчика, энергии вторичных электронов недостаточно, чтобы преодолеть бериллиевое ок:ю 4. Следовательно, счетчик X регистрирует только РХИ, вышедшее из образца, прошедшее через камеру к, н< бериллиевое окно, разделяюще» детекторы Е и X.

Измерения эффекта Мессбауэра с анализом электронов по энери-ям основаны на том, что энергия электрона, покинувшего осразоц, тем меньше, чем глубже находится слой, в котором этот электрон образовался. Данные других работ и исследования автора покапали, что для селекции электронов по энергиям, вмисто дорогостоящих, сложных и имеющих малую светосилу электростатических или магнитных сепараторов электронов, можно использовать простой и имеющий большую светосилу пропорциональный детектор.

КЭМ-опок1троскопия с (¡омощью пропорционального детектора & 05-

ласти температур, отличной ог комнатной, сильно гагруднена истому, что образец должен находиться в считчике электронов. Детекторы, описанные в литерат ре, были громоздкими и неудобными в работе. В универсальном детекторе направленность действия нагревателя (охладителя) на образец достигается многослойной термоизоляцией его от окружающего газа. Кроме того, нагреватель (П) установлен на игольчатых опорах, для уменьшения градиентов температуры по образцу, последний приклеивался к тонкой фольге, которая крепилась к медному теплопроводу, для измерений при температурах ¡uue комнатной по теплопроводу пропускаются пары жидкого азота, в результате, с помощью разработанного детектора можно проводить измерения в области температур от 100 до 750 К.

Точность измерения температуры по абсолютному значению ±0.1К достигается размещением измерителя температуры яа образце, а отводящих проводов - в боковой поверхности кожуха нагревателя. Точность поддержания температуры +0.02К, градиент температуры но образцу не более 0.01К.

. На основе универсального детектора построена автоматизированная система, управляемая ЭВМ в диалоговом режиме. При разработке системы были найдены оригинальные решения схемы коррекции движения мессбауэровского источника и накопления спектрометрической информации. Сигналы со счетчиков Г, X и Е, как показано на рис.1, усиливаются и по соответствующим трактам (в,х,у) подаются на дискриминаторы. с помощью дискриминаторов выбираются участки энергетических спектров для регистрации мессбауэровских спектров в соответствующих накопителях. Примеры спектров, полученных из объема образца и из слоев толщиной ~50нм, расположенных на разной глубине от поверхности, приведены на рис.1.

Таким образом, разработанная система позволяет nr.. чать одновременно кэм-спектры с селекцией электронов по энергиям, тм- и КРН-спектры.

Предложенный и разработанный в работе новый метод, позволяющий исследовать свойства поверхности и объема макроскопического кристалла одновременно, был назван одновременная гамма, рентгеновская и электронная мессбауэровская спектроскопия (ОГРЭМС). За Рубеком метод ОГРЭНС получил название Simultaneous Triple Ríliiiat ion Mossbauer Spectroscopy <STRMS>.

рис.1.

Главное достоинство 'метода ОГРЭНС - значительное повыиение надежности и достоверности экспериментальных данных потому, что состояния поверхности и объема кристалла исследуются одновременно, при одних и тех же условиях, в которых находится объект исследований. Во-вторых, информация как о поворхности, так и об объеме кристалла извлекается из измерений е ьих эффекта Мессбауэ--ра, следовательно, экспериментальные данные можно сравнивать напрямую, в-третьих, многократно сокращается время, затрачиваемое на эксперимент.

В последующих главах описываются исследования поверхностных и объемных свойств макроскопических кристаллов, проведенные методом ОГРЭМС на примере соединений семейства боратов (Реооэ, к® и р» а м ), эти образцы были выбраны потому, что оии являются антиферромагнетиками со слабым ферромагнетизмом и, как было показано в /4/, именно такие магнитные материалы предоставляют благоприятные условия для исследований поверхностного магнетизма. Кристаллы Ке во и Ге ва во интересны еще и тем, что при Т £415К

Э О 3-х X о в

и ё380К, соответственно, в объеме этих кристаллов наблюдается спонтанный спин-переориентационный фазовый переход (СПФ11), род которого к моменту постановки работы установлен не был.

Для экспериментов использовались нонокристаллические пластинки толщиной от ~80 до -120 мкм, поверхность которых была перпендикулярна направлению С1Ш в ревоо и 11003 в г"еэвоя и _ Са^во^. Степень совершенства кристаллов оценивалась методом рентгеновского дифракционного отражения (метод кривых качания). Исследования свойств поверхности и объема проводились на монокристаллах: 1) без обработки поверхности (на естественной зеркальной грани); 2) подвергнутых механической полировке с прим1 чином легких химических травителей; 3) после химической полировки в смеси кислот и н^яо в соотношении 1:1 при комнатной температуре

в течение ~ьо часов. Эксперименты показали, что повторяемость результатов для поверхности наблюдается только в последнем случае.

в третьей главе представлэны результаты изучения свойств поверхности н объема кристаллов в широкой области температур, а так*е данные исследований поведения поверхностной магнитной системы в области температуры Иееля для объема образца.

В Ревоз при т< гы з 348К упорядоченное <• остояние магнитны? моментов описывается двухподрешеточной, а в Fe во (г з« ;>08Ю -

Г3 <S N

четырехподрешеточной моделью для двух неэквивалентных положений ионов железа 8d и 4с. В FeBo иокы железа находятся в одном экви-

э

валентном положении и наблюдаемые мессбауэрозские спектры состоят из одного зеемановского секстиплега. с хорошо разрешаемыми линиями до температур, близких к т . в случае fc-3boo и F<»a ^»о^ ионы железа занимают два неэквипалентных положения йа и 4с и экспериментальные спектры состоят из двух зеемановских секстинлеron. Для улучшения разоешения спектральных линий и повышения точности обработки экспериментальной информации были использованы следующие обстоятельства: 1) количество ионов железа в 8d и 4с положениях и, следовательно, интенсивности этих линий относятся как 2:1; 2) 8d и 4с ионы железа находятся в октаэдричоских положениях, но имеют разные величины сверхтонких взаимодействий.

В §3.2 обсуждаются температурные зависимости параметров сверхтонких взаимодействия, рассчитанные из экспериментальных спектров, Анализ показал, что в областях, удаленных от фазовых леро-ходов, величины, полученные для поверхности и объема кристаллов, совпадают. В области СПФП a fo во эффективные магнитные поля и

3 <5

квадруиольные расщепления испытывают скачки, обусловленные изменением ориентации магнитных моментов ионов железа относительно главных осей тензора ГЭП.

Из температурных зависимостей эффективных магнитных полей в Fo3Boe (рис,2) и к*воз, полученных в области точки нееля, обнаружен, что эффективные поля на ядрах ионов железа,- находящихся в поверхностном слое толщиной ~300им. уменьшаются с повышением том-; пчратуры быстрее, чем поля на ядрах ионоэ колота, расположенных е объеме кристалла. Для проверки воспроизводимости результатов спектры снимались в разных последовательностях по температуре.

Температура перехода в неупорядоченное состояние определялась из температурной зависимости количества квантов (си.пис.З). зг.р"-гистрированных детектором при движении источника > -излучения с постоянной скоростью, соответствующей нолокочию нарамагнитмоя линии (метод температурного сканирования).

В §3.4 описываются исследования критических индексов д;;я двух анти0ерромаг!(ип1ых подсистем 8.1 и 1с в f««.uo . Мессбауэроткая

410 т ^ «0

а Ц» • > «I ЭО \ КО

Рис.2. Температурные зависимости эффективных магнитных полой <нЭфф> и количества квантов (о, за-^ регистрированных при 5 "О" скорости, для поверхностного слоя толщиной ~300НМ (а,к,о) и для объема > кристалла ге во

(в,в,о>, венно.

соответсг-

спектросколия является единственным методом, позволяющим исследовать поведение неэквивалентных подсистем по отдельности.

тм-спектры были получены с использованием безградиентной печи на спектрометре, линейность закона движения источника гамиа-мэлучения в котором почти на порядок лучше известных. Из экспериментальных спектров с помощью ЭВМ находились положения линия зо-емановских сйсстиплетов. Эффективнее магнитные поля определялись ча ЭВМ по положениям спектральных линий по программе, использующей метод расчета параметров сверхтонкого взаимодействия /б/.

Полагая, что эффективные магнитные поля <нЭфф> »а ядрах ионов железа пропорциональны намапшченностям подрешеток, ■использовалось соотношение:

нэфф<т>/"эфф(0> а с (1 - Т'Т/- (1>

Эффект индуцирования АФМ порядка, впервые обнаруженный

А.С.Боровикоы-Романовым, позволяет изучать критическое поведение

в магнетиках с помощью эффекта Мессбауэра в предполож^чии

1^6

н ст,ю

ст

и

Здесь н <т,го - поле сверхтонкого взаимодействия определяется по

формуле нст- сн^фф - нЪ1'2,

где н .измеренное значение эффек-

тинного магнитного поля на ядрах ионов железа во внешнем поле н.

величины р, & и тм определялись для каждой магнитной подсистемы путем подгонки теоретических зависимостей (1) и (2) к- экспериментальным данным по методу наименьших квадратов, экспериментальная величина Н ..<4,2Ю =521кЭ принималось за Н ..<о>. Крити-

-15«

чеекие индексы для поверхностных слоев не несло,девались потому, что разработанная система позволяла проводить измерения в области выше 200 к. в табл. приведены критические индексы, полученные для объема кристалла.

Таблица. Критические индексы для объема f^bo^

8d 4с

fi 0,332 . 0,287 ±0,007

6 4,6 5,1 ±0,4

507,7 507,5 ï0,03

N

Из табл. видно, что значения как о, так и 6 для антиферромагнитных подсистем в Fe^so^ различны. Разность величин fîaj и ^=, равная 0.04, значительно превышает ошибки определения этих показателей степени, тогда как разность <s не больше ошибки эксперимента. температуры Нееля для 8а и 4с подсистем отличаются. Однако, эти величины были нолучены путем подгонки зависимости (D к экспериментальным данным, т.е. не определены прямым экспериментом.

При теоретическом рассмотрении статического критического поведения антиферромагнетиков с двумя парами магнитных подреиоток в /7/ было обнаружено, что критические индексы как бы "расщепляются" на два эффективных индекса, характеризующие ход намагниченности антиферромагиитных подснстеи. Численная оценка величины расщепления для Реэвод, используя экспериментальные значения сх •> 5 Ю"2; « = Ю"3 и соотношение нз работы /7/

/) - й f.aCi Ï ЬСс >/аО. ) Ь<£ > - 11 1п<£ /с >, « 1 2 1 2 ' 2 1 1'2 •

дает /з^ - ft^i 0,04. Это хорошо согласуется с экспериментально полученной величиной.

"Расщепление" критических индексов, обнаруженное в ко ьо , по-гидимому, характерно не только для антиферромагнетиков с дьу-мя неэквивалентными подсистемами. Такое "расщепление" индексов позже было обнаружено другими авторами в веществах, обладающих несколькими упорядочивающимися подсистемами.

§3.5.Поведение магнитной системы на поверхности и в oowhc. кристаллов в области точки Нееля.

Анализ эксперимента.1!! ных елок грог» показал, что я "лпн••!;« i

от глубины ь от поверхности, на которой находится исследуемый слой, можно выделить характерные группы, соответствующие определенным температурным областям <рис.З). В области Гм спектры, состоящие из зеемановских секстиплетов с естественными ширинами линий, указывают на тс, что вещестзо находится в магнитоупорядочен-ном состоянии. В области Г при повышении температуры, начиная от ширины внешних линий секстиплетов, увеличиваются, тогда как ширины внутренних линий не меняются. Далее, начиная от т5(и, интенсивности внешних линий секстиплетов уменьшаются и при тм<£.) эти линии исчезают. Интенсивности внутренних линий, напоминающих парамагнитные дублеты фазы г , растут по мере повышения температуры от т и.) до но ширины их не меняются. В области Гр наблюдаются только квадрунольные дублеты, т.о. вещество находится в парамагнитном состоянии.

,<Г

Рис.3. Фазовая диаграмма состояний г» во в об-

з а

ласти точки Нееля.

Цифрой 1 обозначена фазовая граница тм<о,

2 - гяа),

3 - г а>.

Граничные линии на рис.3 проведены через экспериментальные точки, полученные для слоя толщиной 50 нм, расположе! п го на различных глубинах от поверхности. Положения точек границы тв<г.) определялись экстраполяцией к нулю температурных зависимостей ин-тенсивностей внутренних линий спектров, линия т и.> - из температурных зависимостей ширин внешних линий секстиплетов. точки границы тм<м находились по методу температурного сканирования.

Области Г5 и как видно из рис.3, расширяются в сторону низких температур, а температура перехода в неупорядоченное

состояние тонкого слоя, локализованного на глубине I. от лов«ихно-

сти кристалла, понижается по мере приближения к поверхности. Это подтверждается экспериментальными спектрами, полученными из слоев толщиной ~50нм, расположенных на разной глубине ст поверхности, и приведенными на рис.1. Как видно из рис.1, чем ближе к поверхности находится слой, тем выше интенсивность парамагнитных линий.

Наиболее приемлемым объяснением поведения магнитной системы п поверхностном слое в гево^ и р««эвод в области ты является следующее. экспериментальные спектры получены с регистрацией вторичных электронов из слоев толщиной -бонн. По-видимому, такая толщина слишком велика, чтобы говорить об одном значении для такого

слоя и его можно представить в виде ряда более тонких слоев (естественно, такое разбиение но может быть бесконечным), каждый чз которых имеет свою темпепатуру перехода в парамагнитное состояние, свое время релаксации спиновых моментов. Температура перехода в парамагнитное состояние такого слоя тем ниже, чем ближе к поверхности кристалла он находится. Следовательно, экспериментальные спектры представляют собой суперпозицию спектров из болео тонких слоев, что было подтверждено при обработке на ЭВМ.

На основании экспериментальных данных переход в парамагнитное состояние макроскопического кристалла можно описать следующим образом. При нагревании массивного образца наблюдается увеличение скорости флуктуации магнитных моментов ионов железа, причем тем больше, чем ближе к поверхности находится ион. Дальнейшее повышение температуры приводит к появлению на поверхности (при температурах ниже точки Нееля для объема) парамагнитных областей, распространяющихся по поверхности и в глубь крлсталяа. »близи точки Нееля наблюдается неоднородное состояние, когда поверхность образца парамагнитна, а объем - магнитоупоряцочен.

Изменение свойств кристалла от объемных к поверхностным (времени релаксации магнитных моментов и температуры перехода в парамагнитное состояние) происходит в пределах поверхностною слоя, названного слоем "критической" толщины. Название подразумевает, что при уменьшении толщины образ, .а его свойства начинают отличаться от свойств объеме при толщино меньше "критической", эксперименты показали '.см. рис.3), что толшина "критического" с ног, н исследуемых кристаллах составляет ~ 500 нм.

в четвертой главе описываются исследования спонтанного спин-переорионтациошюгс фазового перехода из фазы Гг .в фа-

зу г в объеме ГеэБОа и сопровождающих его процессов на поверхности кристалла.

Иессоауэровские исследования ориентационных переходов основаны на том, что в зеемановском секстиплете интенсивности вторых и пятыч линий, соответствующих переходам с дп^-О, зависят от угла о между направлением распространения у-лучей и эффективным магнитным полем следующим образом 3:Х:1:1:Х;3, где

X - 4з1п20/СсозгО+1). (3)

При рассмотрении различных спин-переориентационьых фазовых переходов было установлено, что для определения типа СПФП необходимо исследовать не только температурные зависимости интенеценос-тей линий, соответствующих переходам с дт»0, как это обычно делается, но и анализировать, каким образом спектральные линии меняют свои положения: плавно или скачком, в противном случае СПФП первого рода с образованием промежуточного состояния можно принять за спин-п«реориентационный фазовый переход второго рода.

Эксперименты показали, что в Гапо^ параметры сверхтонких взаимодействий для 8а и 4с ионов железа отличаются не только в пределах одной фазы (Г или Гз>, но и для разных фаз (Гг и Г ). Это позволило правильно и с высокой точностью расшифровать мессба-уэрозские спектры. Из соотношения интенсивностей линий эеемановс-ких секстиплетов по формуле (3) были найдены углы б, приведенные в зависимости от температуры на рис.4.

Из . рис.4 видно, что угол е, определенный при регистрации г-квантов и рентгеновского излучения, принимает только два значения: 0 и г,/2. Следовательно, магнитные моменты, расположенные в объчне кристалла, направлены вдоль оси с в фазе Г2 и вдоль оси а в фазе Гз. в области температур от т до тг угол е не имеет промежуточных значений между О и п/2. Эти результаты убедительно доказывают, что переориентация магнитных моментов в объеме Реэвов происходи г скачком, как СПФП первого рода, с образованием промежуточно! о состояния в области температур от т до г .

Вно области СПФП, как видно из рис.4, магнитные моменты ионов »¿л>!эа. расположенных в поверхностном слое толщиной менее зоснм, отклонены от кристаллографической оси вдоль которой ориечтиро-

Рис.4. Температурные зависимости углов ориентации магнитных моментов в объеме (в), в поверхностном слое к» во от О до

3 б

-40НМ -■ (О), ОТ -50 мО ~90НЧ - (Л) И ОТ -150 ДО ~200нм-(х>.

ваны моменты ионов, находящихся в объеме кристалла. Разориентацня магнитных моментов ионов железа в поверхностном слое и объеме увеличивается по мере приближения как к поверхности кристалла, так и к области спин переориентационного фазового перехода.

Как видно из рис.4, переориентация магнитных моментов ионов железа, находящихся в поверхностном слое, наблюдается при СПФП в объеме кристалла и происходит, путем плавного поворота от одного направления к другому. Чем ближе к поверхности расположен наблюдаемый слой, тем более плавно магнитные моменты меняют свою ориентацию. Область температур, в которой происходит переориентация в поверхностном слое, как видно из фазовой диаграммы состояний, приведенной на рис.5, расширяется при приближении к поверхности кристалла. Отличия в процессах переориентации магнитных моментов наблюдаются в поверхностном слое толщиной -0,5 мкм.

Из экспериментальных данных по исследованиям поверхности и объема Го во можно выделить следующие факты: 1) магнитная струк-

Э (I

тура поверхности кристалла отличается от структуры объема; 2> существует поверхностный "переходный" слой, в пределах которого происходит изменение ориентации магнитных моментов; 3) СЯФП в объеме сопровождается переориентаииснным переходом в поверхностном слое кристалла; 4) механизмы переориентации моментов на ловерх-ностТ: йГв-о6ъё?,".е~ кристалла отличаются.

И :е.6о?е /л/ Г.С.Ксякчт с ссавтор-олгл уля ойъястплп рез/ль-

03

04

Рис.5. Фазовая диаграмма состояния Ре во в обла-

з а

сти спин-переори-ентационного фазового перехода.

1 - фазовая граница Т <ь>;

2 - Тг<0.

татов экспериментальных исследований поверхности с/-Регов, развили теорию поверхностного магнетизма и, используя ее выводы, оценили толмиау поверхностного "переходного" слоя, ь котором, y&k они предположили, происходит постепенный поворот магнитных моментов от направления в объеме кристалла до ориентации на поверхности. Полученные нами экспериментальные результаты прямо показывают, что в кристаллах FegBO<> существует поверхностный неоднородный или, следуя терминологии /4/, -переходный" слой, в пределах которого происходит изменение ориентации магнитных моментов. Расчеты, проведенные в /5/, показали, что толщина -переходного" слоя в кево^ во внешнем магнитном поле 100 э при комнатной температуре составляет 0,2 мкм. По порядку величины это совпадает со значением -0,5 мкм для "переходного" слоя в р»зБ(^, полученным нами экспериментально. Следует отметить, что расчетная величина для "переходного" слоя в FeBOa / л* и экспериментально найденное нами значение "критической" толщины в этом соединонин совпадают.

Для теоретического описания спин-переориентационных Фазовых переходов вводится эффективная константа анйзотропии *jP меняющая знак при изменении температуры, и рассматривается энергия анизотропии /3/;

И"2Фу(е> » /усe~j - - - k xirSe. (4)

т - т

Здесь ■» hu), г * —y—* <г ~ температура перехода н объеме),

я

h~ вторая коне ганга анизотропии (Ifc I ■*< I вдали о г т-т >, в -

« 1 2 ' ' I ' К

уюл между магнитным моментом и одной из осей кристалла, на

рис.6 а изображена зависимость е(т> для когда в объеме пе-

реход из состояния 9-0 в состояние с е-л/2 происходит скачком, как переход первого рода. Экспериментальные данные, показанные для объема кристалла на рис.4, и теоретическая зависимость, приведенная на рис.ба, хорошо согласуются.

При рассмотрении явлений на поверхности, сопровождающих СПФП в объеме кристалла. H.H.Каганов ввел новый параметр р /3/, задающий направление оси легкого намагничивания на поверхности кристалла. Поверхностная энергия анизотропии / , если магнитные моменты в объеме параллельны плоскости поверхности кристалла, была записана в виде

/ - h slnz(e (5)

где к -константа поверхностной анизотропии, os -ориентация намагниченности на поверхности. Полагая, что в поверхностном слое мо-. зсет изменяться не только величина константы анизотропии, но и направления осей легкого и трудного намагничивания, И.И.Каганов рассмотрел поверхностные оркентационные переходы и обнаружил, что: 1) СПФП в объеме сопровождается поверхностным переходом; 2> независимо от разнеров образца меняется (сужается) форма температурной петли гистерезиса; 3)при определенных условиях СПФП первого рода в объеме сопровождается поверхностным фазовым переходом второго рода. На рис.6 приведены результаты, полученные в /3/ для поверхности, при фазовом переходе первого рода в объеме (^>0).

Сравнение результатов экспериментальных (рис.4) и теоретических (рис.6) исследовапЕГпроцессов переориентации магпитных моментов, раскол о.жв иных в поверхностном слое, показывает хорошее совпадений» Таким образом: I) а /3/ теоретически показано л нами экспериментально обнаружено, что сшга-пэрзораентационный фаговый переход в объема сопровождается переориентацией магнитных моман-тоб б поверхностном слое кристалла; 2) переориентация мошктоп на поверхности ff> но идентична описанному в /3/ случаю, когда

У d

угол v, определяющий направление легкой оси на поверхности, отличается от о или гт/2. Однако, теоретические рассмотрения показали сужение, тогда как экспериментальные - расширение границ СПФП на поверхности но сравнению с объемом. Объяснение этому, возможно, в том, что теоретически рассматривался СПФП в ферромагнетике, а эксперименты проведены на антиферромагнчтиках.

Рис.6. Теоретические температурные зависимости углов & в объеме <а) и £>а на поверхности кристалла с б) г/2, в) р-0,п/2, б<1; г) р»0,п/2, б>У2] при СПФП первого рода в объеме. Из /3/.

Исследования, описанные в §4.3, показали, что внешнее магнитное поле напряженностью до 20Кэ, перпендикулярное направлению слабого ферромагнитного момента в Ре^о^, не изменяет скачкообразного характера переориентации магнитных моментов в объеме кристалла и СПФП остается фазовым переходом первого рода. При увеличении напряженности внешнего ноля интервал температур, в которой наблюдается сосуществование фаз Г и Га, расширяется. Это объясняется стремлением слабых ферромагнитных моментов п кристалле ориентироваться по направлению внешнего магнитного ноля, которое, таким образом, способствует переориентационному переходу.

В §4.4. описывается новый тип снин-переориенгационяого фазового перехода, который впервые обнаружен и исследован в данной работе.

Экспериментальные спектры, полученные при регистрации гамма-квантов в ге во при температурах выше -415К, показали, что па-

9 б

раллельность магнитных моментов кристаллографической оси а и соответствующая этому магнитная структура о р (или Гз>, наблюдаются только до температур—4Э0К. При дальнейшем нагревании кристалла на ТМ-спектрах появляются две новые линии, интенсивности которых увеличиваются при повышении температурь'. Анализ показал, то это шорые и пятые линии секстннлета 4с ненов железа. По фор-

мулс <3> были рассчитаны углы отклонения чагнитиых моментов от оси а, 3 результате было обнаружено, что в интервале температур от 490К до точки нееля угол отклонения магнитных моментов ic ионов железа растет с повышением температуры и эти изнененчя полностью коррелируют с температурной зависимостью квадрупольного расцепления.

Таким образом, з области температур выше -490К магнитные моменты 4с ионов железа отклоняются от оси а, тогда как моменты e<i ионоз остаются направленными вдоль оси а. Зто подтверждается экспериментальными спектрами, снятыми на монокристаллах, повернутых гак, чтобы ось с была отклонена от направления распространения гамма-квантов. На этих споктрах отчетливо наблюдаются вторые и пятые линии секстинлетоз, принадлежащие как Od, так ч 4с подсистеме.

Для экспериментального определения направления поворота моментов 4с подрешетки, снимались спектры монокристалла, повернутого вокруг оси с или (J на различные углы. Однако оказалось, что на спектрах, полученных таким образом, вторые и пятые линии с дда*о в секстиплете 4с подрешетки не исчезают, отношение интеь-сивностей вторых и пятых линий 8а и 4с ионов при этом но зависело от угла поворота кристалла и оставалось примерно разным двум, картина не менялась при повороте кристалла на 180°. отепда можно сделать вывод, что половина магнитных моментов поворачивается в одну сторону, а другая половина - в противоположную, в этом случав уменьшение интенсивности линии от одной половины ионов компенсируется возрастанием интенсивности линий от другой половины ионов.

из анализа всех экспериментальных данных был сделан вывод, что поворот магнитных номентов происходит в плоскости аь без отклонения от оси антиферромагнетизма. При этом, магнитные моменты одной половины ионов железа поворачиваются в одну сторону, а другой - в противоположную. Если это так, то либо должны образовываться антисберромагнитные домены с противоположными направлениями поворота антиферромагнитного вектора от оси а к ося ь, либо поз-пикает магнитная структура с противоположными направлениями вращения магнитны* моментов 4с ионов железа в пределах одной магнитной элементарной ячейки.

В пятой главе приведены результаты исследований влияния числа магнитных связей на свойства поверхности кристаллов.

Еще в 1953г. Неель показал, что причиной изменения поверхностных свойств является уменьшение количества магнитных соседей ионов, находящихся на поверхности, для экспериментального изучения влияния количества магнитных соседей на свойства поверхности перспективными являются соединения семейства боратов. Дело в том, что магнитные (Со, Сг и др.) или диамагнитные <са. Т1 и др.) ионы, введенные в эти соединения, занимают положения ионов железа. следовательно, появляется возможность изменения количества или типа соседей ионов железа. Для этих целей были синтезированы кристаллы гаавой с добавками ионов ва, имеющие химическую формулу Ре йа ВО . г,?5 о,25 а

Температурные зависимости эффективных магнитных полей показали, что поля на ядрах ионов железа, находящихся не только в поверхностной слое толщиной -300 нм Ке^ 73о«0 2ввов> но ив слое, расположенном от поверхности на глубину до -10 ыкм, уменьшаются с повышением температуры быстрее, чем поля на ядрах ионов железа, расположенных в объеме этого кристалла.

В области температуры ~375К эффективные магнитные пая в ге са _ во испытывают скачки, аналогичные наблюдаемым при

2,75 О,25 Л

орионтационном переходе при 415К в объеме кристаллов Р®3вов (см.$3.2). Для Ре2 7абао „„во^ величины скачков, полученные из ТН-спектров, составляли ~ 7+2 кЭ, а определенные из КЭМ-спектров не превышали ошибки эксперимента.

Квадруполььые расщепления, рассчитанные из спектров с регистрацией ГК, РХИ и ВЭ, вне области температур от 370 К до 380 к но зависят от температуры и для Ва, и для 4с ионов железа. Внутри этой области квадрупольныо расщепления ТМ-спектров испытывают скачки. Резкое изменение квадрупольных расщеплений и эффективных магнитных полей, полученных из ХМ-спектров, указывает на скачкообразный характер переориентации магнитных моментов в объеме

Ре (Зи во .

2 . 7 5 <) , V. к а

в той же области температур (около 37Г> к> квадрупольные рас-щенлинил спектров, снятых о регистрацией ВЭ и РХИ, изменяются плаьио, что говорит о плавной переориентация магнитных моментов ионов железа, расположенных от поверхности на глубину до -юмкм.

Изом<?рные химические сдвиги, полученные из спектров с регистрацией ГК, рум и ВЭ, в пределах ошибки эксперимента совпадают. Температурные зависимости изомерных сдвигов практически линей-кы. При переориентации магнитных моментов изменений на температурных зависимостях изомерных сдвигов не наблюдается.

В §5.2 описываются результаты исследований влияния диамагнитного разбавления как на магнитную структуру, так и на сг.ин-переориентационный фазовый переход в поверхностном слое.

испол»эук формулу. <3>, иэ экспериментальных спектров ге2 75«ао полученных при регистрации ГХ. РХН и ВЭ, з км ж

найдены углы э. определяющие направления магнитных моментов относительно волнового вектора ^-излучения. Температурные зависимости углов в приводены на рис.7.

Рис.7.Темп«ратурные зависимости углов в для Рег ^ка^^во^, рассчитанные из спектров с регистрацией гамма-квантов (I), рентгеновского излучения (2) I вторичных электронов (3), т.е. иэ объема кристалла, слоя толщиной МО мки и поверхностного слоя толщиной -зоонм, соответственно.

Ич рис.7 видно, что углы в, рассчитанные иэ 'Гй-опектрог), принимают только дза значения о и л/2. Аналогичная картина ьа-блюдачтея и в области -375К. Отсюда следует, что магнитные моменты ионов железа, расположенных в объеме кристалла, направлен« вдоль оси с в фазе Г2 и вдоль оси а в фазе Г . Скачкообразное изменение в области от т1 до т2 температурных зависимостей углон

е, эффективных магнитных полей и квадрупольных расщеплений, полученных из спектров при регистрации ГК, убедительно доказывают, что магнитные моменты ионов железа, расположенных в объеме Ро2 'в® ^во^, переориентируются в области температур от г* до т* ' скачком, как фазовый переход первого рода с образованием промежуточного состояния.

Вне области температур от т* до т*, как видно из рис.7, угли е, полученные из спектров с регистрацией ВЭ и РХИ, отличаются от О или тт/2. следовательно, в поверхностной слое толщиной менее «10 мкм магнитные моменты ионов железа отклонены от кристаллографической оси а, вдоль которой ориентированы моменты ионов, расположенных в болов глубоких слоях. В пределах этого "переходного" слоя угол в увеличивается (рнс.7) по мере приближения как к поверхности кристалла, так и к области СПФП.

Таким образом, замещение ионов железа диамагнитными ионами галлия приводит к увеличению толщины "переходного" слоя, в котором происходит изменение ориентации магнитных моментов, от

- ЗООнм в Ре во до -10ыкы в р» аа во . Кроме того, темпе-з а 2.?5 о.га в _

ратура переориентации магнитных моментов понижается на 40 (от -415 ДЛЯ Ре ВО ДО -370К ДЛЯ Ре Са ВО ).

2.790.29 Л

в интервале от г*<£.) до т^а), как видно из рис.7, магнитны® моменты ионов железа в слоо толщиной менее -Юмкы плавно поворачиваются от одного направления к другому. Плавность переориентации возрастает по мере приближения к поверхности кристалла. Можно предположить, что СПФП первого наблюдаемый в объеме то2 уьоа превращается в СПФП второго рода в слое, рас-положеьнои непосредственно под плоскость» поверхности. Толщина такого слоя меньше, чем исследуемые в данной работе.

Сравнение экспериментальных данных о переориентации магнитных цементов в кв _ е» _во (рис.7) с выводами работы /з/, прчве-

2 • ?& О,29 0

донными на рис.6, показывает совпадение с ситуацией, когда в объеме кристалла имеет место СПФП первого рода, а направление легкой оси на поверхности отличается от 0 или п/2 (рис.66).

В §5.з. описываются исследования влияния диамагнитного раз-оаил^нкл к<» и«.* на поведение магнитной системы в объеме и на поверхности кристалла в области точки Нееля.

Анализ ькопериментальных спектрои Рег 7по<*о снятых мв

тодом ОГРЭМС в области температуры Нееля, показал, что их полно

разделить на группы, соответствующие областям Г , Г , Г и Г ,

«УЗ р

Тн(/.). Характеристики

разделяющимися линиями этих областей и способы

т (ь), т а> и

определения границ Т (г.).. Т^(л.)

аналогичны случаю геэпод и даны в гл.и. Фазовая диаграмма для

?г* о. а

_во показана на рис.8.

I 0 Ь,№1

02

СЦ>

4.0,1 4(3-во-

12 С

160

N

\

г \ г

V* V*

г 'Р

2\ I

I

330

3?0

4(0

410 Т, К 490

Рис.е. Фазовая диаграмма состояний р® ва во в области

^ 2.75 О. 2» Л

точки Нееля, г - фазовая граница 2

Т5<ь>, 3

На основании экспериментальных данных, приведенных на рис.в и рис.3, можно сделать следующие выводы. Диамагнитное разбавление магнитной системы кристалла приводит к тому, что в объеме образца понижается температура перехода в парамагнитное состояние, расширяется температурная область релаксационных процессов и область сосуществования магнитных и парамагнитных фаз. Б Радвоа без диамагнитного допирования такие эффекты имеют место в поверхностном слое "критической" толщины. Эксперименты показали, что замещение ионов железа ионами са приводит к понижению точки Неелч для объема на -15° (от -50ВК для Ге во до -*4ЭЭК для

£ О

г-е2 71><3а0 г5вой>- Разница температур магнитного упорядочения поверхностного слоя толщиной 200 нм и объема кристалла, равная в ге во ~зк, при добавлении ва увеличилась почти на порядок и

Э <3

составила в ге ва во -26 К

2.73 О. 25 (3

Таким образок, экспериментально обнаружено, что одной из причин изменения свойств поверхности является уменьшение количества магнитных соседей у исков, расположенных на поверхности кристалл;«.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Про,пложен и разработан иовый метод "одновременная гамма, рентгзновская и электронная ыессбауэровскня спектроскопия** (0ГРЭМС), основанный на измерениях эффекта Мессбауэра с одновременной регистрацией вторичных электронов, рентгеновского излучения и гамма-квантов. Метод ОГРЭМС позволяет исследовать свойства поверхностных слоев и объема кристалла одновременно. За рубежом метод ОГРЭНС получил название Simultaneous Triple Radiation МоьаЬаиег Spectroscopy CSTRMsX

1.1. Метод огрэмс реализован в виде автоматизированной системы, позволяющей получать мессбауэровские спектры в широкой области температур с одновременной регистрацией вторичных электронов, рентгеновского излучения и гамма-квантов. При регистрации вторичных электронов осуществляется анализ их по энергиям.

1.2. При разработке автоматизированной системы предложены и реализованы новые способы улравлония доплеровским модулятором и накопления спектральной информации.

В результате- использования метода 0ГР5МС для исследований свойств поверхностных слоев и объема антиферроыагкитных кристаллов (на примере соединений семейства боратов) обнаружено:

1. температура перехода в парамагнитное состояние тонкого поверхностного слоя ниже точки Нееля для объема образца, и эта разница тем больше, чем ближе к поверх ти находится этот слой. В области точки нееля обнаружено неоднородное состояние, когда ооьем кристалла нагнигоупорядочен, а поверхность - парамагнитна, экспериментально показано существование поверхностного слоя •■критической" толщины, в пределах которого свойства кристалла меняются от магнитоупорядоченного объема (от нижней границы "критического** слоя) к парамагнитной поверхности.

2. При переходе кристалла ь парамагнитное состояние область' температур, в которой наблюдаются релаксационные процессы, на поверхности значительно шире, чем в объеме образца.

3. Закона в кристалле - уи магнитных ионов диамагнитными на порядок увеличивает разницу температур перехода в парамагнитное состояние тонкого поверхностного слоя и объема образца, а толщина

'критического" слоя - более чем в 20 раз. эго свидетельствует о влиянии количества магнитных соседей поверхностный ионов на'поведение магнитной системы поверхностного слоя.

4.Экспериментально обнаружен "переходный" поверхностный слой, теоретически списанный в /4/, в пределах которого происходит плавное изменение ориентации магнитных моментов от направления в объеме до направления на поверхности.

Экспериментально установлено, что для одного и того «<о соединения толщины "переходного' и "критического- слоев совпадают. Экспериментальное значение толщины "критического" слоя в ре во совпадает с расчетной величиной толщины "переходного" слоя ■ з этом кристалле, полученной в /5/ на основании теория покеркност-ного магнетизма /4/.

6. В объеме кристаллов Ре-,В0£ и р.?2 уГ0б0 2530с имеет место,, спин-переориентацчонный фазовый переход'первого" рода, сопровождающийся образованием промежуточного состояния.

7. Впервые экспериментально установлено, что спин-переоркеи-тационный фазовый переход в объеме кристалла сопровождается переориентацией спинов на поверхности, причем магнитные мочошы поверхностных ионов переориентируются плавно, в отличие от скачкообразной переориентации моментов ионов, расположенных и объеме. Это хорошо согласуется с выводами теоретических исследований /3/.

8. Значения критических индексов для двух антиферромагнитных подсистем в объеме Ре^оо^ несколько отличаются друг от друга. Расчеты, проведенные с использованием теоретической нбдели /7/, описывающей -расщепление" индексов для двух аитиферромагик-тных подсистем, показали хорошее согласие с экспериментальны»« данными.

9. Обнаружен спин-переориентационный фазовый переход нового типа, характеризующийся тем, что изменение ориентации магнитных моментов происходит только в одной антифорромагнитноп подсистеме, в то время как ориентация магнитных моментов другой анчифорромаг-ниткой подсистены остается неизменной.

Цнтируемая литература:

1. Каганов М.И., Омельянчук A.M.// ЖЭТФ.1971. Т.61.ВЫП.4. С.1673.

2. Mills V.// Ph.ys.ßev. 19V1.V.3. N ltP.3087.

3. Каганов M.И.// ЖЭТФ. 1980. т.79. Вып.4. С. 1544.

4. Кринчик Г.С. и др.// Письма В ЖЭТФ. 1973. Т.17. ВЫП.9 С.466.

Кринчик Г.С. И ДР.//ЖЗТФ. 1S75. Т.6Э. Вып. 2. С.707.

5. зубов З.Е., Кринчик Г.С. И др.//ЖЭТФ. 1988. Т. 94. N.10. С.290.

6. Карягин C.B.// ФТТ. 1966. Т.8. ВЫП. 1. С.493.

7. Соколов А.и.//письма в ЖЭТФ. 1978. Т.27. Вып.9. С.511.

Основные результаты диссертации изложены в публикациях: 1А.К&МЗИН A.c., Сураманов Р.Ф./ Система управления движением месобауэровского спектрометра на интегральных схемах / ПТЭ. 1973.N 3. С.175-179. 2А.Камэин A.C., Боков В.А., Чижов И.К./ Мессбауэровские исследо-ваия процесса переориентации спинов в f«sboJ ФТТ. 1976. тле. N 9. С.2795-2796. ЗА.Камзин A.C., Боков В.А. / Неколлинеарная магнитная структура

г»лво0 вблизи точки Нееля/ФТТ. 1977. Т.19. N 7. С.2030-203Й. 4А.Камзин A.c., Боков В.А./ исследования опрокидывания спинов магнитным полем В Fe ВО / ФТТ. 1977. Т.19. N 7. С.2131-2134.

a a '

5Л.Камзин A.c., Боков В.А., Смоленский Г.А./"Расщепление" критических индексов намагниченности подрешеток в i *>\sc,j Письма В ЖЭТФ. 1978. T.27. ВЫП.9. С.507-510. еА.камзин A.C., Боков В.А., Смоленск . Г.А., Соколов А.И./ Статическое критическое поведение ан » иферромагнетиков с двумя парами магнитных подрешеток/ Международный конгресс АМПЕРА.. СССР-1Э78. ГРУДЫ, стр.362. 7А.Катг1п A.S. / Investigation of Fe^BO^ Magnetic Structure by NOR / Applications of Mossbnuer Effect-1983. Ed. Kagan Yu.M. «\»d Lyubutln t.S. P .455-460. НА.Иркаов С.M., Камзин A.C., Мальцев Ю.Н.» Маслова Н.В. / Алгоритм и программа фильтрации шумов в мессбауэровской спектроскопии // "Алгоритмы и математическое обеспечение для физических задач- ФТИ им.А.Ф.Иоффе АН СССР. Ленинград. 1937. C.5Ü-CÖ. л

OA.Kumzln A.S.. RnaoVov VP., Grigor'ev L.A. /Hvj.erfine- Ijitnrao-

tloni; on Surface of Fe BO / Physics of Transition ftet^l;;,",

ал'

International Conf. USSR. 1980. Proceed, pt.2, p.27t-274. ЮА.Камзин A.C., Григорьев Л.А., Русаков D.H., Мальцев Ю.Н./ исследование магнитных явлений в поверхностных слоях магнитных диэлектриков методами MC / всесоюзная конференция по физике магнитных явлений. Калинин, 1968. Тез.докл. 4.2. C.52I-Ö22. IIA.Камэин A.C., Русаков В.П., Григорьев Л.А. /Исследования фазовых переходов в ре,во^ методами КЭШ и РМЗ/. Всесоюзное 3 о

совещание по ядерно-спектроскопическим исследованиям GIB. М. МГУ, 1988. Труды. С.88-91. I2A.Камэин A.C., Русаков В.Н. /Пропорциональный счетчик для мее— сбзуэровских исследований поверхностных слоев при температурах от 100 до 700К / ПТЭ. 1988. N5. С.56-56. 13А.Камзин A.C., Григорьев л.А., Русаков В.П., Мальцев т.н. /Ис-» следование поверхностных слоев магнитодиэлектрикои методами MC / Всесоюзное совещание по когерентным взаимодействиям излучения с веществом. Юрмала. 1988. Тезисы докладов, с.234. 14А.Камзин A.C., Григорьев л.А./ исследование магнитных явлений в поверхностном слое F«aBOa методом MC. / Тезисы докладов Всесоюзного совещания по когерентным взаимодействиям излучения с веществом. Юрмала, 1988. С.235. 15А.камзин A.C., Русаков В.П., Григорьев Л.А./ Исследования фазовых переходов в Fe во методами КЭМС и РИС./ Всесоюзное сове-

9 О

щание по ядерно-спектроскопическим исследованиям СТВ. Москва-

1988. Труды. М. МГУ. С,88-91.

16А.Камзнн A.c., Григорьев л.А. /мессбауэровские исследованйя магнитных явлений в поверхностном слое F»Doe. / "Применение мессбауэровской спектроскопии в материаловедении". Ижевск.

1989. Тезисы докладов. С. 112.

17А.Камзин A.c., Григорьев Л.А. / Двухкамерный пропорциональный счетчик для мессбауэровских исследований на электронах конверсии и рентгеновском излучении / ПТЭ. N2. 1990. С.77-79. 18А.Камэин A.C.. Григорьев Л.А. / Поверхностные и объемные

свойства f«bo3 в области температуры Неоля / Письма Ж1Ф. 19У0. Т.16. N 15. С.48-52. 19А.Камзин A.c., Григорьев Л.А./ Применение мессбауэропской спектроскопии для комплексных исследований свойств поверхности

к объема кристалла / ЖГФ. 1990. т.со. n7. c.151-156.

20А.Камзин A.c., Григорьев л.А. / мессбауэровские исследования

слин-переорионтациоиного перехода в поверхностном слое и объеме Fe ВО / ФТТ. 1990. Т.32. N2. С.364-367.

s ö

21А.Камзин A.C., Григорьев Л.А. / Мессбауэровские исследования

поверхностных и объемных свойств Foajjoa в критической области температур / ФТТ. 1930. Т.32. NU. С.3278-3281.

22А.Камзин A.C., Григорьев Л.А./ исследования свойств поверхностных слоев и объема кристалла методами мессбауэровской спектроскопии / Письма ЖТФ. 1990. т.16. N16. С.38-41.

23А.Камзин A.C., Григорьев Л.А./ Универсальный пропорциональный счетчик для комплексных исследований поверхностных слоев и объема кристалла / ПТЭ. 1991. N2. с.74-77.

24А.Иркаев С.И., Камзин A.C., Курении И.В., Мальцев Ю.Н.,

Маслова Н.В. Ржанов Б.И./ Система накопления и обработки спектральной информации / Препринт ПАИ АН СССР. 1990. N.43.

25А.Иркаев с.к., Камзин A.C., Куренин И.В., Мальцев Ю.Н.,

Маслова Н.В. Ржанов Б.И./ Интеллектуальная система доппле-ровской модуляции / Препринт ИАП АН СССР. 1991. N. 49.

26А.Камзин A.C., Иркаев С.М., Мальцев Ю.Н., Григорьев Л.А.

/Мессбауэровский спектрометр для комплексных исследований поверхностных, приповерхностных и объемных свойств материала / Препринт ИАП АН СССР. 1991. N51.

27А.Камзин A.C., Григорьев Л.А,, Иркаев С.М., Мальцев Ю.Н./ Автоматизированный мессбауэровский спектрометр с регистрацией гамма-квантов, конверсионных электронов и рентгеновского характеристического излучения / ПТЭ. 1993. ni. С.80-86.

28А.Иркаов С.М., Камзин A.c., Куренин И,К)., Мальцев Ю.Н., Маслова Н.В. Ржаной Б.И./ Устройство накопления мессбауэровского спектра/ Авторское спидегечьство СССР n 1721485 от 22 11.1991.

29А,Иркаев С.М., Камзин A.C., Куренин И.Ю., Мальцев ¡D.H., Маслова Н.В., йканоз Е.И. /Способ управления допплеровским модулятором массбаузровского спектрометра/. Авторское свидетельство СССР № 1725ЮЗ от 03.12.1991.

ЗОА.Камзин A.C., Григорьев Л.А. /Одновременная мессбауэровская спектроскопия с регистрацией гамма-квантов, рентгеновского характеристического иалучения и селектированных по энергиям

вторичных электронов / Письма в ЖТФ. 1993. т.19. но.е. С.50.

З'^.Камзин A.C., Григорьев Л.А./Автоматизированная система для нессбауэровской спектроскопии с одновременной регистрацией гамма-квантов, рентгеновского характеристического излучения и селектированных по энергиям вторичных эдсктроиов/ Письма В ЖТФ. 1S93. Т.19. No.21. С.32-3^.

32А.Каизин A.C., Григорьев Л.к./ Исследования магнитных свойств поверхности в области температуры Нееля антифорромагнетика Fe3BOö методом мессбаузровской спектроскопии / письма в ЖЭТФ. 1S93. Т.57. Nc.9. С.53Й.

ЗЗА.Канэин A.c., Григорьев Л.А./ Исследования магнитных свойств ■ поверхности и объема кеэвов в области температуры Нееля методом одновременнол гамма, рзнтгеновской к электронной мессбаузровской спектроскопии/ ЖЭ'ГФ. 1994. т. 105. no.2. С. 1-15.

34А.Камзин A.c., Григорьев Л.А./ Исследования спин-переориентаци-онного фазового перехода на поверхности f^bo^ методом мессбаузровской спектроскопии / Письма в ЖЭТФ. 1993. т.57. No.9. С.543--547.

ЗЗА.Камзин A.C., Григорьев Л.а./ Иессбаузровские исследования спин-переориентациовного фазового перехода на поверхности к в объеме Fe ВО / ЖЭТФ. 1993. т.104. Но.ю. С.3489-3511.

а <5

ЗбА.Камзин A.C., Григорьев Л.А./ Исследования магнитных свойств поверхности и объема гевод в области температуры Нееля методом одновременной гамма, рентгеновской и электронной нессбауэ-РОВСКОЙ спектроскопии// ФТТ. 1994. Т.35. No.4 '

37А.камзин A.C., Сырников П.П., Камзнн С.А./ Синтез и иессйауэро-вскне исследования монокристаллов г© пол, доиироваьных ионами Ga / OTT.1394.T.35.No.4.

ЗвА.Камзин A.C., Григорьев Л.А., канзин С.А./Мессбауэрсвскне исследования переориентационного фазового перехода на поверхности и в объеме макрокристаллов fo^oo^, допироэанних конами о я / ФТТ.1994.Т.35.!Уо.5. .

ЗЭА.Камзнн A.C., Григорьев Л.А., Камзик С.А./'Плнянио числа магнитных связей на свойства поверхности антнфлрромагниткого кристалла Fe ВО / ФП.!994.Т.35.НЫП.6. э «

РТП 1ШФ, зак. 134, тар. 100, уч.-изд.л.1,6;10/Ш-1994г. Бесплатно