Субмиллиметровые спектроскопические и магнитные свойства мультиферроиков семейства редкоземельных ферроборатов

Кузьменко, Артем Михайлович

Субмиллиметровые спектроскопические и магнитные свойства мультиферроиков семейства редкоземельных ферроборатов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Кузьменко, Артем Михайлович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2011 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Субмиллиметровые спектроскопические и магнитные свойства мультиферроиков семейства редкоземельных ферроборатов»

Автореферат диссертации на тему "Субмиллиметровые спектроскопические и магнитные свойства мультиферроиков семейства редкоземельных ферроборатов"

На правах рукописи

40313•-

Кузьменко Артем Михайлович

СУБМИЛЛИМЕТРОВЫЕ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА МУЛЬТИФЕРРОИКОВ СЕМЕЙСТВА РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ФЕРРОБОРАТОВ

2 с о;;т 20/1

01.04.07 - физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва-2011

4857918

Работа выполнена в Институте общей физики им. A.M. Прохорова РАН (ИОФ РАН)

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

Мухин Александр Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

профессор Попова Марина Николаевна (Институт спектроскопии РАН, г. Троицк)

кандидат физико-математических наук доцент Глушков Владимир Витальевич (Институт общей физики им. A.M. Прохорова РАН)

Ведущая организация: Физический факультет Московского

государственного университета им. М.В. Ломоносова.

Защита состоится «31» октября 2011 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 002.063.02 при Институте общей физики им А.М Прохорова РАН по адресу 119991, г. Москва, ул. Вавилова 38, корп. 1, конференц-зал

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОФ РАН

Автореферат разослан « сентября 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета !; j^ji^j Макаров В.П.

тел. 8 499 503-83-94

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время ведутся активный поиск новых функциональных материалов и исследования их фундаментальных физических свойств. С этой точки зрения значительный интерес представляют редкоземельные бораты с общей формулой ГШз(ВОз)4 (И = У, Ьа — Ьи; М=А1, Оа, Бс, Сг, Ре). Возможность варьирования состава обеспечивает большое разнообразие физических свойств веществ этого семейства. При достаточно высоких температурах редкоземельные бораты имеют тригональную структуру минерала хантита с пространственной группой симметрии 1132. Наиболее изученными представителями этого семейства являются алюмобораты ЛА1з(В03)4, нашедшие практическое применение, в частности, в лазерной технике, благодаря своим люминесцентным и нелинейным оптическим свойствам.

С точки зрения магнитных свойств наиболее интересны бораты с двумя взаимодействующими магнитными подсистемами, включающими ионы переходного металла М = Ре, Сг и редкой земли Л. Объектами исследования данной работы являются редкоземельные ферробораты кРе3(ВОз)4. Несмотря на то, что эти вещества были впервые синтезированы более 40 лет назад, активное их изучение началось относительно недавно, когда был достигнут значительный прогресс в технологии роста монокристаллов и группой Л.Н. Безматерных (ИФ СО РАН, Красноярск) были получены крупные образцы хорошего оптического качества. Одни из первых исследований на поликристаллических образцах [1], показали, что антиферромагнитное упорядочение ионов Ре3+ в ферроборатах происходит при Т^ ~ 30-40 К. Изучение ориентированных монокристаллов помогло установить, что в зависимости от типа Л-иона при упорядочении спины ионов железа ориентируются либо вдоль тригональной с-оси (легкоосная структура), либо в базисной ¿¡¿-плоскости (легкоплоскостная структура) [2]. В подсистеме слабо взаимодействующих между собой Я-ионов магнитный порядок индуцируется за счет Я-Рс обмена, который играет важную роль в стабилизации той или иной магнитной структуры и формировании магнитных, оптических и магнитоэлектрических свойств [3]. Обнаружение индуцированной магнитным полем электрической поляризации [4-6] позволило отнести редкоземельные ферробораты к классу мультиферроиков. Интерес к мультиферроикам в последнее время существенно возрастает, поскольку такие вещества могут стать основой нового класса электронных устройств, в частности в области спинтроники, использующих возможность управления электрическим состоянием с помощью магнитного поля и наоборот.

Сильное влияние типа редкоземельного иона, его электронной структуры в кристаллическом и Я-Ре обменном полях на магнитные и магнитоэлектрические свойства ферроборатов должно в первую очередь проявиться в их спектроскопических свойствах. Важную информацию о магнитной структуре,

обменных взаимодействиях и спектре редкоземельных ионов в ферроборатах могут дать исследования их высокочастотных магнитных свойств, в частности,-магнитных возбуждений в железной и редкоземельной подсистемах. Согласно первым исследованиям антиферромагнитного резонанса в этих веществах, проведенным для системы YxGd|.xFe3(B03)4 [7], частоты АФМР лежат в диапазоне 1-5 см'1. Оптические исследования [2, 8, 9] показали, что характерные расщепления редкоземельных ионов (Er, Nd, Sm) в кристаллическом и обменном поле также лежат в субмиллиметровом диапазоне. Поэтому использование соответствующих спектроскопических методов исследования ферроборатов в сочетании с традиционными статическими магнитными и радиочастотными диэлектрическими (пьезоэлектрическими) измерениями открывает новые возможности для изучения этих веществ.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы являлось экспериментальное и теоретическое исследование магнитных, субмиллиметровых (диэлектрических и магниторезонансных) и пьезоэлектрических свойств редкоземельных ферроборатов.

Основные задачи работы:

1. Поиск и исследование собственных магнитных возбуждений в обменно связанных R- и Ре-подсистемах ферроборатов в диапазоне частот 3-20 см"1

2. Выявление роли R-Fe взаимодействия и основного состояния редкоземельного иона в формировании анизотропных магнитных и магниторезонансных свойств редкоземельных ферроборатов и разработка теоретических моделей для их согласованного описания.

3. Изучение субмиллиметровых диэлектрических свойств монокристаллов ферроборатов и поиск магнитоэлектрических эффектов.

4. Исследование пьезоэлектрических резонансных свойств ферроборатов.

Методы исследования. Для исследования субмиллиметровых

(магниторезонансных и диэлектрических) свойств в диапазоне 3-20 см"1 применялся квазиоптический спектрометр на основе ламп обратной волны (ЛОВ). Магнитные свойства образцов ферроборатов измерялись с помощью СКВИД-магнетометра Quantum Design MPMS-5. Изучение пьезоэлектрических резонансных свойств в радиочастотном диапазоне проведено с помощью цифровых LCR-метров QuadTech 7600А-СЕ и Hewlett-Packard 4284А.

Научная новизна полученных результатов.

1. В субмиллиметровом диапазоне (3-20 см"') обнаружены магнитные возбуждения, обусловленные АФМР в железной подсистеме и электронными переходами в редкоземельных ионах в ферроборатах.

и неравновесного термодинамического потенциала системы спинов Я- и Ре-ионов получено количественное описание частот и интенсивностей (вкладов в магнитную проницаемость ц) резонансных мод. Выявлено сильное взаимодействие спиновых колебаний Ре- и Я-подсистем. Определены параметры магнитных взаимодействий: поле изотропного обмена НЕ и константа анизотропии Кре железной подсистемы; обменное расщепления основного дублета (мультиплета) редкой земли Дя или поле И-Ре обмена В частности, установлено:

а) Анизотропия редкоземельных ионов Я = Ей, Рг, ТЬ вносит существенный вклад в эффективную магнитную анизотропию кристалла, определяя магнитную структуру и частоты АФМР железной подсистемы.

б) В случае близости собственных частот Ре- и Л-подсистем (Я = N(1, Эт, 0(1) колебания спинов этих подсистем являются сильно связанными. Интенсивности коллективных мод определяются разностью соответствующих ^-факторов железа и редкой земли - gR)2, что позволяет определить не только величину, но и знак gR.

3. Впервые изучены анизотропные магнитные свойства (восприимчивость, намагниченность) ферроборатов ЕиРс3(В03)4, РгРе3(В03)4, 8тРе3(В03)4 и смешанной системы ТЬ(.хЕгхРе3(В03) с конкурирующим Я-Ре обменом^ анализ которых с учетом данных по АФМР позволил установить тип магнитной структуры, выявить магнитные фазовые переходы.

4. Впервые измерены абсолютные значения диэлектрической проницаемости целого ряда составов (И = Рг, N(1, Бш, Ей, 0(1, ТЪ, Но, У), что позволило выявить сильную анизотропию действительной части диэлектрической проницаемости с1 вдоль (е'с) и перпендикулярно (с'1с) тригональной оси с, а также обнаружить скачки е' при структурных фазовых переходах.

5. Обнаружены добротные линии пьезоэлектрического резонанса в радиочастотном диапазоне (0.1-20 МГц) на примере Ос1о.5Шо.5ре3(В03)4, выполнены их идентификация, моделирование и определены соответствующие пьезоупругие параметры.

Положения, выносимые на защиту.

1. Обнаружение в субмиллиметровых спектрах пропускания ферроборатов сЯ = Рг, N<1, Бт, Ей, ТЬ, У линий поглощения, обусловленных антиферромагнитным резонансом в железной подсистеме и электронными переходами в редкоземельных ионах в диапазоне 3-20 см"1.

2. Количественное описание температурных зависимостей частот и интенсивностей наблюдаемых резонансных мод с учетом особенностей основного состояния Л-иона в кристаллическом и И-Ре обменном полях.

3. Выявление механизма влияния редкоземельных ионов Я = Ей, Рг, ТЬ на динамические свойства ферроборатов (частоты АФМР) за счет перенормировки

константы магнитной анизотропии R-Fe взаимодействием.

4. Установление сильно-связанного характера спиновых колебаний в ферроборатах с расщеплением основного состояния R-иона (Nd, Sm, Gd), близким к частоте АФМР. Вывод о перераспределении интенсивностей мод одинаковой симметрии и их чувствительности к величине и знаку g-фактора R-иона, который объясняет следующие особенности динамики конкретных ферроборатов:

а) Усиление интенсивности обменной Nd моды за счет отрицательных значений ^-факторов основного квазидублета Nd3+ в NdFe(B03)4.

б) Отсутствие в спектрах пропускания GdFe3(BC>3)4 мод, связанных с возбуждением ионов Gd, обусловленное компенсацией вклада в ц Gd моды при равенстве g-факторов ионов железа и гадолиния. Эта компенсация нарушается разбавлением GdFe3(B03)4 анизотропными ионами Nd, что делает все редкоземельные моды наблюдаемыми.

в) Проявление в SmFe3(B03)4 резонансных мод ионов Sm3+ за счет возбуждения посредством R-Fe обмена, а не прямого взаимодействия с магнитным полем.

5. Определение в субмиллиметровом диапазоне температурных зависимостей и анизотропии диэлектрической проницаемости ферроборатов вдоль и перпендикулярно оси с, обнаружение скачков при структурном фазовом переходе.

6 Обнаружение в частотных зависимостях действительной и мнимой частей импеданса Gdo.5Ndo.5Fe3(B03)4 в диапазоне 0.1-20 МГц линий пьезоэлектрического резонанса, их идентификация и определение пьезоупругих параметров.

Научная и практическая значимость результатов. Информация об основном состоянии редкоземельного иона и обменных взаимодействиях в редкоземельных ферроборатах может быть использована при теоретическом анализе свойств этих веществ, в частности, для объяснения природы наблюдаемого в них магнитоэлектрического эффекта, который сильно зависит от типа R-иона.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях: International Conference "Functional Materials" (2007, Украина, Крым, Партенит), Moscow International Symposium on Magnetism MISM (2008 и 2011, Москва), конференция «Новое в магнетизме и магнитных материалах XXI» (2009, Москва), International Symposium on Spin Waves (2009 и 2011, Санкт-Петербург).

Диссертационные результаты. По материалам, изложенным в диссертации, опубликованы 7 печатных работ, все они в журналах определенных ВАК, и тезисы 9 докладов на научных конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Работа изложена на 125 страницах машинописного текста, включая 54 рисунка, 6 таблиц и список литературы из 80 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования редкоземельных ферроборатов, его практическая ценность, сформулированы цели и задачи работы, ее основные результаты, а также положения, выносимые на защиту. Приведена краткая аннотация результатов, изложенных в последующих главах.

Первая глава посвящена обзору литературы. В п. 1.1 рассмотрена кристаллическая структура ферроборатов. В п. 1.2 обсуждаются магнитные, диэлектрические и мультиферроэлектрические свойства ферроборатов [1, 3-5, 8, 10]. Отмечено, что в ферроборатах ниже температуры Нееля TN возникает антиферромагнитная структура типа легкая плоскость (аб-плоскость кристалла) или легкая ось (тригональная с-ось), в зависимости от типа R иона [1—3]. Конкуренция энергий анизотропии R- и Fe-подсистем может приводить к спонтанной переориентации спинов из ai-плоскости к с-оси с понижением температуры Т < TR< TN, которая происходит, например, в ферроборате GdFe3(B03)4 (TR = 9 К) [2, 11].

В п. 1.3 особое внимание уделено оптическим исследованиям [2, 8, 9], позволяющим определить спектр редкоземельного иона в кристаллическом и обменном поле. В этих работах из анализа спектров поглощения в оптическом диапазоне определена структура штарковских уровней ферроборатов, в частности, получена информация о расщеплениях основного состояния ферроборатов Tb, Ег, Nd, Sm. Для определения типа антиферромагнитной структуры ферроборатов применяется метод оптического Ег-зонда [2]. Рассмотрены также эксперименты по рамановскому рассеянию [12], в которых также наблюдались слабые линии, связанные с магнитными возбуждениями в редкоземельной подсистеме (R = Nd, Gd).

П. 1.4 посвящен первым исследованиям антиферромагнитного резонанса в YxGdi.xFc3(B03)4 (х = 0, 0.5, 1), которые выполнены на фиксированной частоте (25140 ГГц) с разверткой по магнитному полю [7]. В результате этих исследований получены значения обменного поля Fe-Fe обмена и магнитной анизотропии, определяющие частоту АФМР, выявлено влияние ионов Gd3+ на анизотропию.

Во второй главе приведено описание использованных экспериментальных методик и оборудования. В п. 2.1 изложен метод квазиоптической субмиллиметровой JIOB-спектроскопии (ЛОВ - лампа обратной волны) [13], которая использована для исследования магнитного резонанса и диэлектрической проницаемости на частотах 320 см"1. Измерение коэффициента пропускания и фазы электромагнитной волны, прошедшей через образец, позволяют определять оптические константы исследуемого образца без привлечения какого-либо дополнительного аппарата типа соотношений

Крамерса-Кронига или преобразований Фурье. Примеры спектров пропускания приведены на рис. 1. Интерференция излучения в плоскопараллельных образцах обусловливает характерные осцилляции, на фоне которых наблюдается резонансное поглощение. Спектры моделировались с помощью формул Френеля для плоскопараллельного слоя с учетом дисперсии магнитной проницаемости //(о) = 1 + 1,кк/лкй\2- о} + 1й)А<щ), где <»*, А о\ и Д/4 соответственно частота, ширина линии и вклад к-й моды в /л. Температурные зависимости диэлектрической проницаемости (рис. 2) и параметров резонансных мод (рис. 4-6) были получены при помощи измерений в оптическом криостате (Т = 3-300 К).

В п. 2.2 приведено краткое описание СКВИД-магнетометра, с помощью которого измерены кривые намагничивания и температурные зависимости магнитной восприимчивости (рис. 3).

Для изучения пьезоэлектрического резонанса проводились радиочастотные измерения импеданса ферроборатов методом, описанным в п. 2,3.

Третья глава посвящена исследованию субмиллиметровых диэлектрических и радиочастотных пьезоэлектрических свойств редкоземельных ферроборатов. В п. 3.1 рассмотрены диэлектрические свойства в субмиллиметровом диапазоне 3-20 см"1 [А6, Б1, БЗ, Б5]. Как видно из приведенных на рис. 2 температурных зависимостей действительной части диэлектрической проницаемости (ет) ферроборатов, имеется сильная анизотропия е' вдоль и перпендикулярно тригональной с-оси для всех составов. Наблюдающиеся в виде скачков аномалии е'с и е\с = е'ь соответствуют структурным фазовым переходам [1], связанным с изменением кристаллографической группы с высокотемпературной Я32 на РЗ 1 с более низкой симметрией. Значения температур структурного перехода Т5 составляют 375 К в УРеэ(В03)4, 198 К в ТЪРе3(В03)4 и 58 К в ЕиРе3(В03)4, что хорошо согласуется с данными, полученными из теплоемкости в работах [1, 10]. Наиболее заметные скачки диэлектрической проницаемости наблюдались вдоль с-оси (Де' = 1-3). Величина е'Хс слабо меняется с температурой, имеет небольшой скачок при структурном переходе и для всех исследованных составов лежит в пределах 12 < е'^ < 14. Что касается частотной зависимости диэлектрической проницаемости в исследованном диапазоне частот 3-20

10 12 Частота (см"1

Рис. 1. Спектры пропускания ТЬРез(ВОз)4 в поляризации 1»||Ь, иллюстрирующие температурное

поведение АФМР моды при Н = 0 (а), (б). Нижний спектр (в) — расщепление резонансной линии в поле Н]|с. Точки — эксперимент, линии — теория.

см , то она практически отсутствовала или была весьма слабой (АеЧАсо < 10"2/см"'). Мнимая часть

диэлектрической проницаемости для всех исследованных ферроборатов имеет величину менее 0.1-0.2 при комнатной температуре и заметно уменьшается с понижением Т.

В п. 3.2 приведены результаты измерений частотных зависимостей мнимой и действительной частей импеданса для пьезоэлектрических резонаторов на основе ориентированных плоскопараллельных пластинок ферробората Оёо.5^0.5рез(ВОз)4 а- и с-срезов с электродами, нанесенными на большие грани пластинок. Для пластинок я-среза в диапазоне ~ 0.1-20 МГц наблюдался ряд гармоник пьезоэлектрического резонанса, для пластинок с-

32 30 28 26 , 24 22 20 18 16 14

43 12

ЯРе (ВОД

X ' 31 -" —»— Эт

Я = N(1

Ей

"Сс1„0 N6 „„

0.96 0.04

ТЬ

I __□

' I ' )

100 200 300 Температура (К)

400

Рис. 2. Температурные зависимости среза резонансы отсутствовали. Такое действительной части диэлектрической

проницаемости ё' ферроборатов N<1. Ей, Gdo.96Ndo.o4, ТЬ, У, измеренные вдоль (вверху) и перпендикулярно (внизу) с-оси на частоте

13 см' . Пунктирными линиями показаны температуры структурных переходов Т11г.

поведение согласуется с теоретической моделью пьезоэлектрического

резонатора на объемных акустических волнах (продольные колебания вдоль а-оси), учитывающей симметрию

идеального кристалла, механическое и диэлектрическое затухание. Было получено хорошее количественное описание частот и форм резонансных линий. Определены значения упругой постоянной си = (345 ± 5)-109 Н/м2 и пьезоэлектрического коэффициента \еп\ = 0.59 ± 0.05 Кл/м2 [Б1].

Четвертая глава посвящена исследованию АФМР [А6] и магнитных свойств ферроборатов с Н= У, Ей, Рг, ТЬ, Tbo.25Ero.75, Для которых характерные расщепления нижних уровней Я-ионов значительно больше частот АФМР Ре-подсистемы.

В п. 4.1 рассмотрены ферробораты УРез(В03)4, в котором реализуется легкоплоскостная антиферромагнитная структура [2, 7], и ЕиРе3(В03)4, магнитные свойства которого (рис. 36) также указывают на легкоплоскостной характер упорядочения [А4, Б1]. В частности, магнитная восприимчивость ЕиРе3(ВОз)4 вдоль с-оси Хс(Т) слабо меняется ниже температуры Нееля, тогда как в а^-плоскости Хь (Ха)

Рис. 3. Температурные зависимости магнитной восприимчивости вдоль (&) и перпендикулярно (х,.ь) оси с ферроборатов РгРе3(В03)4 (а) (стрелкой отмечена аномалия при температуре Нееля), ЕиРе3(В03)4 (б) и 8тРе3(В03)4 (в), измеренные в поле Я = 1 кЭ. На вставках приведены низкотемпературные кривые намагничивания соответствующих составов вдоль и перпендикулярно оси с.

резко падает и достигает при низких температурах Хь{2 К) и У2%ь(Т^ за счет распределения спинов в легкой ¿¡¿-плоскости.

В легкоплоскостном антиферромагнитном состоянии имеются две моды магнитного резонанса: а) низкочастотная мода, в которой колебания вектора антиферромагнетизма Ь происходят в легкой аЬ-плоскости и возбуждаются полем К||с, частота этой моды определяется слабой анизотропией в аЬ-плоскости и лежит ниже исследованного нами диапазона (ш/ « 1 см"'); б) высокочастотная мода, соответствующая колебаниям Ь с отклонением от базисной плоскости и возбуждаемых Ыс, ЫЬ. Последняя отчетливо наблюдалась в субмиллиметровых спектрах пропускания ферроборатов иттрия и европия (а-срез) при Ь||Ь (рис. 4а). Её частота со2 ~ у^К^ / %± определяется константой одноосной анизотропии КГе, стабилизирующей легкоплоскостное состояние, и поперечной восприимчивостью Ре-подсистемы.

В УРе3(В03)4 частоты и вклады в магнитную проницаемость А/и (рис. 4а, б) определяются лишь ионами железа. Величина вклада высокочастотной моды, возбуждаемой переменным магнитным полем вдоль любого направления в базисной плоскости, определяется выражением А// = 4кх±/2, которое получено усреднением по всем направлениям векторов Ь с учетом равномерного распределения в «¿-плоскости по шести направлениям естественной анизотропии или непрерывном распределении

*рез(ВОз)< - Р = ТЬ о ТЬ„„Ег„

О 5 10 15 20 25 30 35 Температура (К)

10 15 20 25 30 35 40 Температура (К)

Рис. 4. Температурные зависимости частот (а), (в) и вкладов в магнитную проницаемость (6), (г) мод АФМР (Ь||Ь) в ферроборатах ЯРез(ВОз)4 с магнитной структурой типа легкая плоскость (Я = У, Ей (а), (б)) и легкая ось (Я = Рг, ТЬ, Tbo.25Ero.75 (в), (г)). Точки — значения, полученные из спектров пропускания, линии — теория.

за счет магнитоупругого вклада случайных упругих напряжений. Такое распределение подтверждается анизотропией статической магнитной восприимчивости УРе3(ВОз)4, где при низких температурах восприимчивость в базисной плоскости в два раза меньше, чем вдоль оси с [А4, Б1]. Отметим также, что измеренная величина вклада А/и (рис. 46) практически не зависит от температуры и позволяет определить статическую восприимчивость/! ~ (1.2-1.3) 10"4 см3/г и соответствующее обменное поле (НЕ = А/(/2/х = 680 кЭ, где М0 — намагниченность насыщения подрешеток железа), которые хорошо согласуются с величинами /± и НЕ, определенными из низкотемпературной статической магнитной восприимчивости [А4]. Значение частоты моды АФМР позволяет получить величину константы анизотропии КРе = 2.1 Л О5 эрг/г железной подсистемы, согласующуюся с данными [7]. Наблюдаемую температурную зависимость частоты (рис. 4а) удалось описать, используя приближение молекулярного поля для намагниченности подрешеток железа.

При анализе ферроборатов с магнитными редкими землями нужно рассматривать, вообще говоря, две взаимосвязанные магнитные подсистемы, динамика которых существенным образом зависит от соотношения собственных резонансных частот подсистем. В случае, когда характерные частоты электронных переходов в редкоземельной системе сок значительно больше частот АФМР Ре-подсистемы сорс, можно полагать, что динамические переменные Л-подсистемы на частотах порядка юРе мгновенно следуют за спинами ионов железа и определяются соответствующими эффективными полями. Это позволяет исключить переменные Я-

подсистемы и описывать их вклад с помощью эффективного термодинамического потенциала, зависящего только от переменных Ре-подсистемы. Если обменное расщепление (сдвиг) уровней Л-ионов за счет Я-Рс взаимодействия значительно меньше характерных расстояний между уровнями И-иона в кристаллическом поле, энергию анизотропии можно описать эффективной константой анизотропии КГе —> Кф включающей как анизотропию подсистемы спинов железа, так и вклад редкоземельной подсистемы.

Такой подход может быть использован для анализа АФМР в ЕиРе3(В03)4, поскольку основное состояние иона Еи3+ является немагнитным (У = 0) и отделено от возбужденных мультиплетов значительным энергетическим интервалом ДЕи ~ 400 см"1, а его магнитные свойства определяются примешиванием возбужденных состояний (ванфлековский магнетизм). Наблюдаемое увеличение частоты АФМР в ЕиРе3(В03)4 по сравнению с УРе3(В03)4 (рис. 4а), а также анизотропия статической магнитной восприимчивости (рис. 36) (х±с > Хс), наблюдаемая уже в парамагнитной области, свидетельствуют о дополнительном вкладе ионов Еи3+ в энергию анизотропии. Полагая, что этот вклад связан в основном

3+ „ уу уу

с ванфлековской магнитнои восприимчивостью иона Ей , для которой х1с > хс > получаем естественное объяснение возрастания эффективной константы анизотропии Ке1Г = КГе +(хТс ~ х'сУ)Ч2£11~ге за счет положительного вклада от европиевой подсистемы, где НЕ11_/?е - поле изотропного Еи-Ре обмена. Используя полученные значения частоты и вклада моды АФМР, данные по анизотропии статической магнитной восприимчивости ЕиРе3(В03)4, а также значение КГе, можно определить Н/ги_Ге ~ 140 кЭ. Наблюдаемая температурная зависимость частоты качественно не отличается от ферробората иттрия и также описывается в приближении молекулярного поля (рис. 4а).

П. 4.2 посвящен исследованию АФМР в легкоосном антиферромагнитном состоянии (Цс), которое реализуется в ферроборате ТЪРе3(В03)4 [10] и РгРе3(В03)4 [А1, Б2]. В последнем, согласно проведенным нами магнитным измерениям, восприимчивость ниже точки Нееля слабо меняется вдоль Ь-оси, а вдоль с резко падает, указывая на ориентацию спинов вдоль с-оси (рис.За). Константа одноосной магнитной анизотропии =/2Ке1Г1), стабилизирующая легкоосное состояние, отрицательна (Ке# < 0). В этом случае только в поляризации Ыс возбуждаются две моды АФМР, частоты которых со± к уЦ- / ± #) совпадают в отсутствие внешнего поля и расщепляются при Н||с, а величина их вклада Д//1(. = 4л^1.

В РгРе3(В03)4, согласно оптическим данным [14], основное состояние иона Рг3+ в кристаллическом поле является синглетом, а энергия следующего возбужденного уровня составляет 48 см"1, что позволяет проанализировать АФМР в Ре-подсистеме на основе эффективной энергии анизотропии. Причиной изменения знака эффективной

константы анизотропии и стабилизации одноосного состояния, очевидно, является сильная анизотропия магнитной восприимчивости ионов Рг х7 > Х±с (Рис- За). Величина вклада наблюдаемой моды в магнитную проницаемость А/иь = 4л/± (рис. 4г) дает значения и НЕ, близкие к соответствующим параметрам УРе3(ВОз)4. Частота наблюдаемой моды (рис. 4в) и полученное значение НЕ позволяют определить константу Кец- - 2.7 105 эрг/г. Поле спин-флоп перехода, в котором легкоосная фаза теряет устойчивость, при этом равно #,/= (- К^/х^'2 ~ 48 кЭ, что хорошо согласуется с данными, полученными из низкотемпературных кривых намагничивания (рис. За).

В ферроборате ТЬРе3(В03)4 обнаружено значительное возрастание частоты моды АФМР (рис. Зв), которое свидетельствует не только об изменении знака эффективной константы анизотропии Кф но и ее большой величине за счет сильно анизотропного вклада ионов ТЬ3+, которые можно рассматривать как изинговские ионы с осью анизотропии, совпадающей с с-осью кристалла. Легкоосный характер магнитного упорядочения в ТЬРе3(В03)4 подтверждается тем фактом, что резонансная мода АФМР, наблюдаемая в поляризации Ь_1_с, при приложении внешнего магнитного поля Н расщепляется на две моды (рис. 1в). Основным состоянием иона ТЬ3+ в кристаллическом поле является квазидублет, расщепление

2А1Ь-2рг1ъН^Ге которого практически полностью определяется

обменным полем [10], а вклад в свободную энергию равен Фп а -ЫТ1п2ск(Ап /квТ), где N — число ионов ТЬ. Учитывая большую величину обменного расщепления (2Ап~ 30 см"1 [10]) по сравнению с наблюдаемыми частотами АФМР, можно рассчитать последние на основе уравнений Ландау-Лифшица с учетом вклада Ф„, и выразить через Кед = КТе - ИА^^А-^ /квТ) < 0.

Используя значение частоты АФМР при низкой температуре и НЕ или /±> определяемое вкладом А/и1с (рис. 4г), а также КГе, найденное для ферробората иттрия, была определена величина обменного расщепления 2Ать = [х± (а>о/у)2 - КЕе]Ш~ 30 см"1 и соответствующего обменного поля Нсп_Ге ~ 35 кЭ, которые хорошо согласуются с результатами статических магнитных исследований [10, АЗ], в частности, значением поля спин-флоп перехода. Отметим, что из-за сильно анизотропного (изинговского) характера иона ТЬ3+ прямое наблюдение резонансных переходов в основном квазидублете невозможно. Как видно из рис. 46, температурные зависимости частот АФМР хорошо описываются с учетом анизотропного вклада квазидублета иона ТЬ3+ в рамках данного подхода.

Подтверждением рассмотренной выше картины формирования магнитной анизотропии в тербиевом ферроборате является наблюдаемое поведение АФМР и магнитных свойств [АЗ] в разбавленной системе ТЬо.25Ег0.75рез(В03)4. В частности, обнаруженное в ней уменьшение в два раза частоты АФМР (рис. 4в) подтверждает

превалирующий вклад ионов ТЬ3+ в эффективную анизотропию даже при их 4-х кратном разбавлении. Вклад Ег3+ здесь не очень • существенен из-за меньшего обменного расщепления, составляющего по данным работы [2] ~ 1.9 см"'.

В данной главе были кратко проанализированы также условия проявления магнитоэлектрических эффектов в области АФМР. Показано, в частности, что в одноосном состоянии возможно вращение плоскости поляризации за счет магнитоэлектрического вклада [А4, Б6]. К сожалению, нам не удалось обнаружить проявлений соответствующих магнитоэлектрических явлений в исследованном диапазоне частот, возможно, из-за инверсионного двойникования исследованных нецентросимметричных кристаллов.

Пятая глава посвящена исследованию магнитных свойств и магнитного резонанса в чистых и замещенных ферроборатах КРе3(В03)4 с Я = N(1, йс!, Бш, в которых расщепление основного состояния редкоземельных ионов сравнимо с частотой АФМР в железной подсистеме. В этих составах ниже точки Нееля реализуется легкоплоскостная антиферромагнитная структура.

В п. 5.1 приведены экспериментальные данные по магнитному резонансу в субмиллиметровом диапазоне. В ШРе3(В03)4 [А7, БЗ, Б4, Б7, Б8] резонансные линии наблюдаются как в поляризации Ь||Ь, так и в Ь[|с, что качественно отличается от легкоплоскостных УРе3(В03)4, ЕиРе3(В03)4, где наблюдалась только высокочастотная мода АФМР ионов железа при Ь||Ь [А6]. Появление в ШРе3(В03)4 двух резонансных линий на частотах ~ 12 см"1 в двух разных поляризациях связано с возбуждениями электронных переходов внутри основного крамерсовского дублета иона Ш3+, расщепленного обменным Ш-Ре взаимодействием. Однако наблюдаемые частоты заметно превосходят обменное расщепление ~ 8.8 см"1, полученное из оптических данных [8]. Кроме того, на частоте ~ 3.5 см"1 обнаружены признаки слабой линии при Ь||Ь, которая идентифицирована как высокочастотная мода АФМР в Ре-подсистеме. Поведение резонансных частот (расталкивание), наряду с перераспределением вкладов (интенсивностей) мод, указывает на сильную связь спиновых колебаний Ре- и Ш-подсистем. Подтверждением такого характера спиновых возбуждений являются результаты, полученные при разбавлении N(1 немагнитным У в Ш0.4Уо.бРе3(ВОз)4 (рис. 5в,г). Видно, что при уменьшении концентрации N(1 частоты высокочастотных (N(1) мод в обеих поляризациях уменьшаются и становятся ближе к статическому обменному расщеплению основного дублета Ш3+, а частота АФМР моды приближается к значению иттриевого ферробората. Это свидетельствует об уменьшении взаимодействия АФМР и 11-мод при разбавлении. Отметим, что такое разделение мод на редкоземельные и АФМР является весьма условным, поскольку реализуются связанные колебания Ре и Я спинов, которые подробно рассмотрены ниже.

Особенностью SmFe3(B03)4 является то, что ион Sm3+ обладает очень маленьким фактором Ланде (gj = 2/7) и дает незначительный вклад в статические магнитные свойства [А4], которые оказались сходными с YFe3(B03)4. Тем не менее, в субмиллиметровых свойствах роль ионов Sm3+ проявилась очень сильно [А7, Б7, Б8]. Резонансные моды обнаружены в обеих поляризациях (рис. 5д, е). При h||c, когда обычно возбуждается низкочастотная мода АФМР, лежащая значительно ниже нашего диапазона, мы обнаружили отчетливую модус частотой ~ 16.6 см'1 при низких Т, которая связана с электронными переходами внутри крамерсовского дублета Sm3+. Тот факт, что ее частота превышает величину обменного расщепления дублета ASm = 13.2 см"1 [9], обусловлен взаимодействием (расталкиванием) с низколежащей АФМР модой. Необычным является то, что Sm-мода имеет заметную интенсивность, несмотря на слабое взаимодействие ионов Sm3+ с магнитным полем, что обусловлено возбуждением электронных переходов в Sm3+ через Fe подсистему за счет их обменного взаимодействия. Для мод в поляризации h||b: частота низколежащей моды со. не уменьшается, как в NdFe3(B03)4, а возрастает, заметно превышая собственную частоту АФМР Fe-подсистемы. Причем эта мода имеет значительный вклад в магнитную проницаемость д/zl по сравнению с высокочастотной модой.

Другими ферроборатами, в которых резонансные свойства проявились неожиданным образом, оказались 0с1Рез(В0з)4 и ряд замещенных составов на его основе [А7, БЗ-Б5, Б7-Б9]. В чистом GdFe3(B03)4 реализуется спонтанный спин-переориентационный переход из легкоплоскостного в одноосное состояние при TR ~ 9 К [11] за счет конкуренции вкладов Fe- и Gd-подсистем в энергию анизотропии. Согласно [7] высокочастотная мода АФМР Fe-подсистемы не превышает в нем 1 см"1 (30 ГГц) и смягчается вблизи TR. Что касается Gd-подсистемы, то, согласно оценке поля Gd-Fe обмена (~ 70 кЭ) на основе статических свойств [6], ее характерные частоты (расщепления уровней ~ 6.5 см"1) должны лежать существенно выше и попадать в наш диапазон волн. Однако, в диапазоне 3-20 см"1 никаких резонансных возбуждений в редкоземельной подсистеме GdFe3(B03)4 не было найдено. В тоже время для замещенного состава Ос105К\105рез(ВОз)4 Gd-моды отчетливо проявились в обеих поляризациях наряду с Nd-модами, причем на частотах, значительно превышающих статическое расщепление уровней ионов Gd3+ (рис. 66).

В п. 5.2 описана теоретическая модель для согласованного описания наблюдаемых магниторезонансных и магнитных свойств ферроборатов. Использован неравновесный термодинамический потенциал системы Ф = Фре + Фr, зависящий от векторов ферро- и антиферромагнетизма Fe-подсистемы М и L, и динамических переменных R-подсистемы [А7]. Последняя описывалась в однодублетном приближении эффективным спин-гамильтонианом

Я«(1'2) = - * .А/2 = - И a ,,2(g МвП +kMM±hL L), (1)

где сг 1)2 — матрицы Паули дублета для двух R-подрешеток, g — g-тензор

(&«= 3 й» = Ам ¿ — диагональные матрицы И-Ре обмена, которые совпадают при взаимодействии ближайших соседей Дм = Ас = Д (Дм = Луу г Дц = Дц), и величины Д.щ определяют расщепления основного дублета, соответственно, в легкоплоскостном и одноосном состояниях. В качестве параметров порядка использовались средние значения матриц Паули <«Т1,2>- Вклад возбужденных состояний И-иона учитывался путем перенормировки энергии магнитной анизотропии ионов Ре3+.

Динамика Ре- и Л-подсистем описывалась на основе уравнений типа Ландау -Лифшица, в результате чего были найдены собственные частоты и вклады спиновых мод обеих подсистем в магнитную проницаемость. Используя полученные выражения, проведен анализ и численное моделирование наблюдаемых резонансных мод (см. линии на рис. 5, 6). В частности, в легкоплоскостной фазе Ь = (¿х, 0,0), 1 = (/х, 0, 0) для каждого из двух типов колебаний, возбуждаемых Ь||с и Ь||Ь, имеется по две резонансные моды ю± связанных спиновых колебаний Ре и II ионов. При разбавлении Я подсистемы они превращаются, соответственно, в собственные моды АФМР Ре-подсистемы и Л-моды, определяемые расщеплением дублета статическим обменным полем кса = Дх.

0 10 20 30 0 Температура (К)

10 20 30 0 10 20 30 Температура (К) Температура (К)

Рис. 5. Температурные зависимости частот (а), (в), (д) и вкладов в магнитную проницаемость (б), (г), (е) резонансных мод (Ь||Ь, Ь||с) в №Рез(ВОз)4 (а), (б), Шо.4УобРез(ВОз)4 (в), (г) и 5тРе3(В03)4 (д), (е). Кружки и треугольники — значения, полученные из субмиллиметровых спектров пропускания, звездочки (а) — значения, полученные в работе [12] из спектров рамановского рассеяния, линии — теория. На вставке показан пример спектра пропускания вблизи моды <у/и (Ь||Ь), где точки — эксперимент, а линии — моделирование.

В рамках изложенного теоретического подхода в п. 5.3 проведен анализ экспериментальных данных. Вышележащие моды ак в NdFe3(B03)4 условно можно рассматривать как редкоземельные (Nd) моды, частоты которых, однако, заметно превышают статическое расщепление дублета Nd из-за взаимодействия с нижележащими модами а>_. В свою очередь, последние можно интерпретировать как моды АФМР, перенормированные взаимодействием с вышележащими R-модами, что определяет их заметное смягчение. Кроме того, для моды coIe (h||b), связанной с выходом вектора L из базисной плоскости, происходит также перенормировка константы анизотропии за счет анизотропии R-Fe обмена (Ai Ф Дц), что может быть причиной спиновой переориентации в ферроборатах. Вклады обеих R-мод растут с понижением температуры пропорционально разности заселенностей уровней дублета, а вклад моды col' (h||b), наоборот, падает, что хорошо согласуется с экспериментом (рис. 56). Моделирование температурных зависимостей частот и вкладов в приближении молекулярного поля дает хорошее согласие с экспериментом при Aj. « 8.7 см"1, Дц и 9.1 см"1, g|| ~ - 0.9, g±~- 2.4, которые в целом соответствуют оптическим и магнитным данными для NdFc3(B03)4 [8, 15]. Параметры Fe-подсистемы оказались близки к параметрам YFe3(B03)4. Согласно полученным в ходе анализа выражениям, вклады Д^ h||c и h||b пропорциональны ~ (gFe - gij)2, что отражает чувствительность вкладов к соотношению g-факторов для Nd3+ дублета gjj и ионов Fe3+ gFe ~ 2 из-за смешанного характера соответствующих спиновых колебаний. Полученные отрицательные знаки g-фактора gjj основного дублета Nd3+, позволившие описать наблюдаемые вклады мод, указывают на возможность определения абсолютных значений g-тензора.

В Ndo 4Yo.6Fc3(B03)4 (рис. 5в, г) разбавление Nd-подсистемы приводит к заметному уменьшению разницы между частотами Nd и Fe мод и хорошо описывается теорией с параметрами, близкими к чистому NdFe3(B03)4.

Поведение резонансных мод SmFe3(B03)4, качественно отличающееся от неодима в поляризации h|[b, обусловлено сильной анизотропией обменного расщепления основного состояния Д± » Дц. Количественное описание частот и вкладов для SmFe3(B03)4 (рис. 4д, е) получено при Дх и 13.2 см"', Дц « 1.3 см"1, « 0.3,

Для описания динамики GdFe3(B03)4 проведены расчеты частот и вкладов связанных Gd и Fe спиновых колебаний с учетом того, что основным состоянием иона Gd3+ в отличии от Nd и Sm является мультиплет gSm с Scd = 7/2, которые дают, тем не менее, аналогичные выражения. Установлено, что основным фактором, определяющим скрытый характер Gd мод, является близость g-факторов ионов Gd3+ и Fe3+ gc;j ~ gFe ~ 2. Учитывая, что вклады обменных Gd мод пропорциональны (gfe -gedf > это приводит к их фактическому обнулению (компенсации) для обеих поляризаций h, что объясняет их отсутствие в спектрах пропускания GdFe3(B03)4.

Аналогичная ситуация имеет место и в одноосном состоянии, спонтанный переход в которое происходит при Т < Тя ~ 9 К. Слабые БсЗ-моды наблюдались, однако, в рамановских спектрах Ос1Рез(ВОз)4 [12] на частотах ~ 18 см'1 (рис. 6а). Используя эти результаты, а также данные [7] для низкочастотной моды АФМР Н||Ь, лежащей ниже доступного нам диапазона, было проведено самосогласованное описание поведения всех частот в 0с1Рез(В0з)4 с учетом спиновой переориентации (рис. 6а).

'з

га 3"

(6)

ю^ИИс)

• м™ (ИЦЬ) Ч\

оГ (Ь|!с)

<»*' С>||Ь) \

О 10 20 30 Температура (К)

10 20 30 Температура (К)

Рис. 6. Температурные зависимости резонансных частот в ферроборате Ск1Рез(ВОз)4 (а) и Ос1о^с!о.5Рез(ВОз)4 (б), Символы — эксперимент, линии — теория (звездочки (а) — данные по рамановскому рассеянию [12], квадраты (а) — данные по АФМР [7], кружки и треугольники (б) — данная работа). Стрелкой указана температура спиновой переориентации Тви.

Выявить вё-моды в спектрах пропускания нам удалось в смешанных составах, содержащих, кроме вс!, также анизотропные ионы N<1 на примере системы Ос1о.5Шо.5ре3(ВОз)4 (рис. 66). Причиной этого, как показали анализ и моделирование системы с двумя типами Я-ионов (изотропным Ос15+ и анизотропным Ш3+) в рамках вышеизложенного подхода, является нарушение компенсации вклада высокочастотной (Ос!) моды Д//"*, имеющей место для чисто 0(1 и Ре-подсистем с gGi:!1gFe■ Полученные обменные расщепления Д_|С</ » 6.4 см"1, А^ « 6.7 см"1, Д|ЛИ«ДцЛИ и 8.2 см"1 хорошо согласуются с данными для чистых составов, в частности, с величиной обменного поля на ионах Ос13+ (-70 кЭ) по результатам анализа магнитных измерений [6]. Отметим, что частота сРл заметно больше обменного расщепления уровней в 0<13+ из-за взаимодействия мод.

Мы исследовали также ферробораты с большим содержанием С<1: Сс1096Шо.о4рез(В03)4 и 0<^)75К(1о25рез(ВОз)4, в которых, 0(1-мода оказалась уже ненаблюдаемой. Это свидетельствует о важности наличия достаточного количества анизотропных ионов Ш3+ для ее выявления. При этом по частотам Ш-мод, которые

при малой концентрации (4 %) совпадают с расщеплением основного дублета Nd3+, удалось напрямую определить последнее как в легкоплоскостном, так и одноосном состояниях (АЛ ~ ДЛц = 8.2 см"1), используя то обстоятельство, что в этих составах сохраняется спиновая переориентация при ГЛ я 6 К. Близкое значение расщепления Nd3+ получено и для другой системы с конкурирующими обменными взаимодействиями Ndo.75Dyo.25Fe3(B03)4, где анизотропия ионов диспрозия стабилизирует легкоосное состояние, а спиновая переориентация наблюдалась в магнитных свойствах [А2].

Наблюдаемые связанные спиновые возбуждения в редкоземельной и железной подсистемах могут давать вклад и в магнитоэлектрические свойства, в частности, гигантский магнитодиэлектрический эффект, обнаруженный в 5тРез(ВОз)4 [А5, Б9], который проявляется на радио частотах, но отсутствует в субмиллиметром диапазоне.

Заключение содержит основные результаты и выводы работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Впервые методом квазиоптической субмиллиметровой спектроскопии в спектрах пропускания редкоземельных ферроборатов RFe3(B03)4 (R = Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Y) наблюдались антиферромагнитный резонанс в подсистеме ионов Fe и магнитные возбуждения в R-подсистеме. Выявлена сильная зависимость поведения частот, интенсивностей и условий возбуждения обнаруженных мод от характера магнитной структуры и типа редкоземельного иона. С помощью СКВИД-магнетометра исследованы магнитные свойства (магнитная восприимчивость, кривые намагничивания) монокристаллов ферроборатов, позволившие установить тип машитной структуры (легкоосная или легкоплоскостная), выявить фазовые переходы и определить характер анизотропии редкоземельной подсистемы.

2. Проведен согласованный теоретический анализ магнитных и субмиллиметровых магниторезонансных свойств редкоземельных ферроборатов, учитывающий особенности основного состояния R-иона. Моделирование наблюдаемых резонансных мод, проведенное на основе уравнений движения для неравновесных параметров порядка R и Fe подсистем, позволило определить параметры Fe-Fe и R-Fe магнитных взаимодействий, согласующиеся с соответствующими величинами, полученными из статических магнитных свойств.

3. Установлено, что в ферроборатах с Pr, Eu, ТЬ ионами, в которых расщепления основного состояния значительно превышают собственные частоты АФМР Fe-подсистемы, сильное влияние типа редкоземельного иона на динамические свойства (частоты АФМР) обусловлено анизотропным вкладом редкой земли в энергию магнитной анизотропии кристалла. Определены ее величины и температурные зависимости.

4. В ферроборатах RFe3(B03)4 с редкими землями R = Nd, Sm, Gd, расщепления основных состояний которых близки к частотам АФМР, выявлено сильное взаимодействие спиновых колебаний Fe- и R-подсистем, определяющее поведение частот и интенсивностей связанных резонансных мод. Показано, что интенсивности этих мод зависят от разности ^-факторов Fe и R ионов, что позволило определить как абсолютную величину, так и знак g-фактора редкоземельного иона. В частности, установлено, что заметная интенсивность обменных (Nd) мод в NdFe3(B03)4 обусловлена отрицательным ^-фактором основного дублета Nd Cg^ii.i < 0), тогда как в GdFe3(B03)4 с близкими ^-факторами ионов Fe и Gd (gGJ к gFe « 2) происходит компенсация их вкладов и обменная (Gd) мода не наблюдается. В SmFe3(B03)4, несмотря на слабое взаимодействие Sm-ионов с магнитным полем, обнаружены резонансные моды, связанные с возбуждением ионов Sm через Fe-подсистему.

5. Впервые измерена диэлектрическая проницаемость е в субмиллиметровом диапазоне волн чистых и смешанных ферроборатов RFe3(B03)4 с R = Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Ho, Y, Ег. Обнаружены скачки (до 15%) на температурной зависимости действительной части проницаемости е' при структурном фазовом переходе из высокотемпературной фазы R32 в низкотемпературную фазу Р3[2. Выявлена сильная анизотропия е' вдоль и перпендикулярно тригональной оси с (1 < s'Je'lc < 2) для всех исследованных составов ферроборатов.

6. В ферроборате Gdo.5Ndo.5Fe3(B03)4 в радиочастотном диапазоне (1-20 МГц) впервые наблюдался пьезоэлектрический резонанс, моделирование которого позволило определить пьезоэлектрический коэффициент еп и упругую

постоянную с//.

Основные публикации по результатам диссертационной работы:

Al. A.M. Кадомцева, Ю.Ф. Попов, Г.П. Воробьев, А.А. Мухин, В.Ю. Иванов, A.M. Кузьменко, JI.H. Безматерных. Влияние синглетного основного состояния Рг3+ на магнитные и магнитоэлектрические свойства мультиферроика PrFe3(B03)4. Письма в ЖЭТФ, т. 87, с. 45 (2008).

А2. Ю.Ф. Попов, A.M. Кадомцева, Г. П. Воробьев, А.А. Мухин, В.Ю. Иванов,

A.M. Кузьменко. А.С. Прохоров, JI.H. Безматерных, B.JI. Темеров. Обнаружение спонтанной спиновой переориентации в ферроборатах Nd1.xDyxFe(B03)4 с конкурирующим R-Fe обменом. Письма в ЖЭТФ, т. 89, с. 405 (2009).

A3. А.К. Звездин, A.M. Кадомцева, Ю.Ф. Попов, Г.П. Воробьев, А.П. Пятаков,

B.Ю. Иванов, A.M. Кузьменко. А.А. Мухин, JI.H. Безматерных, И.А. Гудим. Магнитная анизотропия и магнитоэлектрические свойства ферроборатов Tbi.xErxFe3(B03)4. ЖЭТФ, т. 136, с. 80 (2009).

А4. A.M. Кадомцева, Ю.Ф. Попов, Г.П. Воробьев, А.П. Пятаков, С.С. Кротов, К.И. Камилов, В.Ю. Иванов, А.А. Мухин, А.К. Звездин, A.M. Кузьменко. Л.Н.Безматерных, И.А. Гудим, В.Л. Темеров. Магнитоэлектрические и

магнитоупругие свойства редкоземельных ферроборатов. Физика низких температур, т. 36, с. 640 (2010).

А5. А.А. Мухин, Г.П. Воробьев, В.Ю. Иванов, A.M. Кадомцева, А.С. Нарижная, A.M. Кузьменко. Ю.Ф. Попов, Л.Н. Безматерных, И.А. Гудим. Гигантский магнитоэлектрический эффект в мультиферроике SmFe3(B03)4. Письма в ЖЭТФ, т. 93, с. 305(2011).

А6. A.M. Кузьменко. А.А. Мухин, В.Ю. Иванов, A.M. Кадомцева, Л.Н. Безматерных. Антиферромагнитный резонанс и диэлектрические свойства редкоземельных ферроборатов в субмиллиметровом диапазоне частот. ЖЭТФ, т. 140,, с. 131 (2011).

А7. A.M. Кузьменко. А.А. Мухин, В.Ю. Иванов, A.M. Кадомцева, Л.Н. Безматерных. Эффекты взаимодействия R- и Fe-мод магнитного резонанса в редкоземельных ферроборатах RFc3(B03)4. Письма в ЖЭТФ, т. 94, с. 318 (2011).

Публикации в трудах международных конференций:

Б1. V.Yu. Ivanov, А.А. Mukhin, A.M. Kuzmenko. А.А. Pronin, A.M. Kadomtseva, Yu.F. Popov, G.P. Vorob'ev, A.P. Pyatakov, A.K. Zvezdin, L.N. Bezmatemykh. Magnetic, magnetoelectric and piezoelectric properties of rare-earth iron borates RFe3(B03)4. Abstracts of the International Conference "Functional Materials" ICFM-2007, p. 207, Украина, Крым, Партенит, 1 - 6 октября 2007.

Б2. A.M. Kadomtseva, V.Yu. Ivanov, A.A. Mukhin, Yu.F. Popov, G.P. Vorob'ev, A.M. Kuzmenko. A.P. Pyatakov, A.K. Zvezdin, A.S. Prokhorov, L.N. Bezmatemykh. Effect of the rear-earth ions on magnetoelectric, magnetoelastic and magnetic properties of RFc3(B03)4. Book of abstracts of the Moscow International Symposium on Magnetism MISM-2008, p. 625, Россия, Москва, 20 - 25 июня 2008.

БЗ. A.M. Kuzmenko. A.A. Mukhin, V.Yu. Ivanov, A.S. Prochorov, A.M. Kadomtseva, L.N. Bezmatemykh. Magnetic resonance and dielectric properties of iron borates RFe3(B03)4 at submillimeter wavelengths. Book of abstracts of the Moscow International Symposium on Magnetism MISM-2008, p. 647, Россия, Москва, 20 - 25 июня 2008.

Б4. A.M. Kuzmenko. A.A. Mukhin, V.Yu. Ivanov, A.S. Prokhorov, A.M. Kadomtseva, L.N. Bezmatemykh. Magnetic excitations in RFc3(B03)4 multiferroics at submillimeter wavelengths. International Symposium on Spin Waves 2009, p. 98, Россия, Санкт-Петербург, 7-12 июня 2009.

Б5. A.M. Кузьменко. A.A. Мухин, В.Ю. Иванов, A.M. Кадомцева, Л.Н. Безматерных. Магниторезонансные и диэлектрические свойства ферроборатов в субмиллиметровом диапазоне. Сборник трудов конференции «Новое в магнетизме и магнитных материалах XXI», с. 958, Россия, Москва, 28 июня - 4 июля 2009.

Б6. A.M. Кадомцева, Ю.Ф. Попов, Г.П. Воробьев, А.А. Мухин, В.Ю. Иванов, A.M. Кузьменко. А.С. Прохоров, Л.Н. Безматерных, В.Л. Темеров, И.А. Гудим. Магнитоэлектрические свойства редкоземельных ферроборатов в различных кристаллических фазах. Сборник трудов конференции «Новое в магнетизме и магнитных материалах XXI», с. 316, Россия, Москва, 28 июня - 4 июля 2009.

Б7. A.M. Kuzmenko, А.А. Mukhin, V.Yu. Ivanov. Coupled R and Fe magnetic excitations in RFe3(B03)4 multiferroics. International Symposium on Spin Waves 2011, Россия, Санкт-Петербург, 5-11 июня 2011.

Б8. A.M. Kuzmenko. A.A. Mukhin, V.Yu. Ivanov, L.N. Bezmaternykh. Effects of R arid Fe resonance mode interaction in RFe3(B03)4 multiferroics. Book of abstracts of the Moscow International Symposium on Magnetism MISM-2011, p. 494, Россия, Москва, 21-25 августа 2011.

Б9. A.A. Mukhin, G.P. Vorob'ev, V.Yu. Ivanov, A.M. Kadomtseva, Yu.F. Popov, A.M. Kuzmenko, L.N. Bezmaternykh, I.A. Gudim. Giant magnetodielectric effect in RFe3(B03)4 multiferroics. Book of abstracts of the Moscow International Symposium on Magnetism MISM-2011, p. 606, Россия, Москва, 21-25 августа 2011.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Y. Hinatsu, Y. Doi, К. Ito, М. Wakeshima, A. Alemi. Journal of Solid State Chemistry, 172, p. 438-445 (2003).

2. M.N. Popova, E.P. Chukalina, T.N. Stanislavchuk, L.N. Bezmaternykh. Journal of Magnetism and Magnetic Materials 300 e440-e443 (2006).

3. A.H. Васильев, E.A. Попова. Физика низких температур, том 32, с. 968 (2006).

4. А.К. Звездин, С.С. Кротов, A.M. Кадомцева, Г.П. Воробьев, Ю.Ф. Попов, А.П. Пятаков, Л.Н. Безматерных, Е.Н. Попова. Письма в ЖЭТФ, том 81, с. 335 (2005).

5. А.К. Звездин, Г.П. Воробьев, A.M. Кадомцева, Ю.Ф. Попов, А.П. Пятаков, Л.Н. Безматерных, А.В. Кувардин, Е.А. Попова. Письма в ЖЭТФ, том 83, с. 600 (2006).

6. А. М. Кадомцева, А. К. Звездин, А. П. Пятаков, А. В. Кувардин, Г. П. Воробьев, Ю. Ф. Попов, Л. Н. Безматерных. ЖЭТФ, том 132, с. 134 (2007).

7. А.И. Панкрац, Г.А. Петраковский, Л.Н. Безматерных, В.Л. Темеров. Физика твердого тела, том 50, с. 77 (2008).

8. M.N. Popova, E.P. Chukalina, T.N. Stanislavchuk, B.Z. Malkin, A.R. Zakirov, E. Antic-Fidancev, E.A. Popova, L.N. Bezmaternykh, V.L. Temerov. Phys. Rev. B, 75, 224435 (2007).

9. E.P. Chukalina, M.N. Popova, L.N. Bezmaternykh, I.A. Gudim. Physics Letters A, vol. 374, p. 1790(2010).

10. E.A. Popova, D.V. Volkov, A.N. Vasiliev, A.A. Demidov, N.P. Kolmakova, I.A. Gudim, L.N. Bezmaternykh, N. Tristan, Yu. Skourski, B. Buchner, C. Hess, R. Klingeler. Phys. Rev. B, 75, 224413 (2007).

11. R.Z. Levitin, E.A. Popova, R.M. Chtsherbov, A.N. Vasiliev, M.N. Popova, E.P. Chukalina, S.A. Klimin, P.H.M. van Loosdrecht, D.Fausti, L.N. Bezmaternykh. Письма в ЖЭТФ, том 79, с. 531 (2004).

12. D. Fausti, A.A. Nugroho, P.H.M. van Loosdrecht, S.A. Klimin, M.N. Popova, L.N. Bezmaternykh. Phys. Rev. B, 74, 024403 (2006).

13. A.A. Volkov, Yu.G. Goncharov, G.V. Kozlov, S.P. Lebedev, A.M. Prokhorov. Infrared Phys., vol. 25, p. 369 (1985).

14. M.N. Popova and T.N. Stanislavchuk, B.Z. Malkin, L.N. Bezmaternykh. Phys. Rev. B, 80, 195101 (2009).

15. E.A. Попова, H. Тристан, X. Хесс, P. Клинглер, Б. Бюхнер, Л.Н. Безматерных, В.Л. Темеров, А.Н. Васильев. ЖЭТФ, том 132, с. 121 (2007).

Формат 60x90/16. Заказ 1465. Тираж 100 экз.

Печать офсетная. Бумага для множительных аппаратов.

Отпечатано в ООО "ФЭД+", Москва, ул. Кедрова, д. 15, тел. 774-26-96

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Кузьменко, Артем Михайлович

Введение

Глава 1. Обзор литературы.

1.1. Кристаллическая структура.

1.2. Магнитные, диэлектрические и магнитоэлектрические свойства.

1.3. Оптические свойства. Спектры редкоземельных ионов в ферроборатах.

1.4. Антиферромагнитный резонанс в ферроборатах Сс1х¥1хРез(ВОз)4.

Глава 2. Экспериментальные методики.

2.2. Субмиллиметровая квазиоптическая ЛОВ-спектроскопия. 45 2.1. СКВИД-магнетометрия.

2.3. Измерение импеданса в радиочастотном диапазоне.

Глава 3. Диэлектрические и пьезоэлектрические свойства редкоземельных ферроборатов.

3.1. Субмиллиметровые диэлектрические свойства.

3.2. Пьезоэлектрический резонанс.

Глава 4. Влияние анизотропии редкоземельных ионов на магнитные свойства и антиферромагнитный резонанс в ферроборатах с Я = У, Ей, Рг,

ТЬ и Tbo.25Ero.75.

4.1. АФМР и магнитные свойства легкоплоскостных ферроборатов иттрия и европия.

4.2. АФМР и магнитные свойства легкоосных ферроборатов РгРез(В0з)4, ТЬРе3(В03)4 и ТЬ0 25Ег0 75рез(ВОз)4.

Глава 5. Эффекты взаимодействия Я- и Ре-мод магнитного резонанса в редкоземельных ферроборатах КРез(ВОз)4 с К = N<1, Бт, вс!, а также смешанных составах на их основе.

5.1. Экспериментальные исследования магнитных возбуждений в Я- и Ре-подсистемах ферроборатов.

5.2. Теоретический анализ магнитного резонанса во взаимодействующих подсистемах И.- и Ре-ионов.

5.3. Сопоставление теории с экспериментом и обсуждение результатов. 107 Заключение 115 Список литературы

Введение диссертация по физике, на тему "Субмиллиметровые спектроскопические и магнитные свойства мультиферроиков семейства редкоземельных ферроборатов"

Актуальность темы. В настоящее время ведутся активный поиск новых функциональных материалов и исследования их фундаментальных физических свойств. С этой точки зрения значительный интерес представляют редкоземельные бораты с общей формулой ЯМ3(ВОз)4 (Я = У, Ьа — Ьи; М=А1, ва, Бс, Сг, Бе). Возможность варьирования состава обеспечивает большое разнообразие физических свойств веществ этого семейства. При достаточно высоких температурах редкоземельные бораты имеют тригональную структуру минерала хантита с пространственной группой симметрии Я32. Наиболее изученными' представителями этого семейства являются алюмобораты ЯА1з(ВОз)4, нашедшие практическое применение, в частности, в лазерной технике, благодаря своим люминесцентным и нелинейным оптическим свойствам.

С точки зрения магнитных свойств наиболее интересны бораты с двумя взаимодействующими магнитными подсистемами, включающими ионы переходного металла М = Бе, Сг и редкой земли Я. Объектами исследования данной работы являются редкоземельные ферробораты ЯРез(ВОз)4. Несмотря на то, что эти вещества были впервые синтезированы более 40 лет назад, активное их изучение началось относительно недавно, когда был достигнут значительный прогресс в технологии роста монокристаллов и группой Л.Н. Безматерных (ИФ СО РАН, Красноярск) были получены крупные образцы хорошего оптического качества. Одни из первых исследований на поликристаллических образцах [1], показали, что антиферромагнитное упорядочение ионов Ре3+ в ферроборатах происходит при Тдг ~ 30-40 К. Изучение ориентированных монокристаллов помогло установить, что в зависимости от типа Я-иона при упорядочении спины ионов железа ориентируются либо вдоль тригональной с-оси (легкоосная структура), либо в базисной дб-плоскости (легкоплоскостная структура) [2]. В подсистеме слабо взаимодействующих между собой Я-ионов магнитный порядок индуцируется за счет Я-Бе обмена, который играет важную роль в стабилизации той или иной магнитной структуры и формировании магнитных, оптических и магнитоэлектрических свойств [3]. Обнаружение индуцированной магнитным полем электрической поляризации [4-6] позволило отнести редкоземельные ферробораты к классу мультиферроиков. Интерес к мультиферроикам в последнее время существенно возрастает, поскольку такие вещества могут стать основой; нового класса электронных устройств, в частности в области спинтроники, использующих возможность управления электрическим состоянием с помощью магнитного поля и наоборот.

Сильное влияние типа редкоземельного иона, его электронной структуры в кристаллическом и Я-Ре обменном; полях на магнитные и магнитоэлектрические свойства ферроборатов должно в первую очередь проявиться в их спектроскопических свойствах. Важную информацию о магнитной структуре, обменных взаимодействиях и спектре редкоземельных ионов в ферроборатах могут дать исследования их высокочастотных магнитных свойств, в частности, магнитных возбуждений в железной и редкоземельной подсистемах. Согласно первым исследованиям антиферромагнитного резонанса в этих.веществах^ проведенным для системы УхСс11.хРез(ВОз)4 [7],.частоты АФМР лежат в диапазоне 1—5 см"1. Оптические исследования [2, 8, 9] показали, что характерные расщепления редкоземельных ионов (Ег, N<1, Эш) в кристаллическом- иг обменном поле также лежат в субмиллиметровом диапазоне. Поэтому использование соответствующих спектроскопических методов исследования ферроборатов в сочетании с традиционными статическими магнитными и радиочастотными диэлектрическими (пьезоэлектрическими) измерениями открывает новые возможности для изучения этих веществ.

Основные задачи работы:

1. Поиск и исследование собственных магнитных возбуждений в обменно связанных R- и Fe-подсистемах ферроборатов в диапазоне частот 3-20 см"1

4. Исследование пьезоэлектрических резонансных свойств ферроборатов. Методы исследования. Для исследования субмиллиметровых магниторезонансных и диэлектрических) свойств в диапазоне 3-20 см"1 применялся квазиоптический спектрометр на основе ламп обратной волны (ЛОВ). Магнитные свойства образцов ферроборатов измерялись с помощью СКВИД-магнетометра Quantum Design MPMS-5. Изучение пьезоэлектрических резонансных свойств в радиочастотном диапазоне проведено с помощью цифровых LGR-метров QuadTech 7600А-СЕ и Hewlett-Packard 4284А.

Научная новизна полученных результатов.

1. В субмиллиметровом диапазоне (3—20 см"1) обнаружены магнитные возбуждения, обусловленные АФМР в железной подсистеме и электронными переходами в редкоземельных ионах в ферроборатах.

2. Выполнен согласованный теоретический анализ магниторезонансных и магнитных свойств ферроборатов с учетом основного состояния редкоземельного иона и обменного взаимодействия Fe-Fe и R-Fe. На основании уравнений движения и неравновесного термодинамического потенциала системы спинов R- и Fe-ионов получено количественное описание частот и интенсивностей (вкладов в магнитную проницаемость /Ï) резонансных мод. Выявлено сильное взаимодействие спиновых колебаний Fe- и R-подсистем. Определены параметры магнитных взаимодействий: поле изотропного обмена Не и константа анизотропии Кре железной подсистемы; обменное расщепления основного дублета (мультиплета) редкой земли Ак или поле Я-Бе обмена Нц.ре. В частности, установлено: а) Анизотропия редкоземельных ионов Я = Ей, Рг, ТЬ вносит существенный вклад в эффективную магнитную анизотропию кристалла, определяя магнитную структуру и частоты АФМР железной подсистемы. б) В случае близости собственных частот Бе- и Я-подсистем (Я = N<1, 8т, вс!) колебания спинов этих подсистем являются сильно связанными. Интенсивности коллективных мод определяются разностью соответствующих ^-факторов железа и редкой земли ^е — gR)~, что позволяет определить не только величину, но и знак gR.

3. Впервые изучены анизотропные магнитные свойства (восприимчивость, намагниченность) ферроборатов ЕиРез(ВОз)4, РгРез(ВОз)4, 8шРез(ВОз)4 и смешанной системы ТЬ1хЕгхРе3(В03) с конкурирующим Я-Ре обменом, анализ которых с учетом данных по АФМР позволил установить тип магнитной структуры, выявить магнитные фазовые переходы.

4. Впервые измерены абсолютные значения диэлектрической проницаемости целого ряда составов (Я = Рг, N(1, 8т, Ей, вс!, ТЬ, Но, У), что позволило выявить сильную анизотропию действительной части диэлектрической проницаемости е' вдоль (е'с) и перпендикулярно (£±с) тригональной оси с, а также обнаружить скачки е1 при структурных фазовых переходах.

5. Обнаружены добротные линии пьезоэлектрического резонанса в радиочастотном диапазоне (0.1—20 МГц) на примере вс1о.5Кс1о.5рез(ВС)з)4, выполнены их идентификация, моделирование и определены соответствующие пьезоупругие параметры.

Положения, выносимые на защиту.

1. Обнаружение в субмиллиметровых спектрах пропускания ферроборатов с Я = Рг, N(1, Эш, Ей, ТЬ, У линий поглощения, обусловленных антиферромагнитным резонансом в железной подсистеме и электронными переходами в редкоземельных ионах в диапазоне 3—20 см"1.

2. Количественное описание температурных зависимостей частот и интенсивностей наблюдаемых резонансных мод с учетом особенностей основного состояния Я-иона в кристаллическом и Я-Бе обменном полях.

3. Выявление механизма влияния редкоземельных ионов Я = Ей, Рг, ТЬ на динамические свойства ферроборатов (частоты АФМР) за счет перенормировки константы магнитной анизотропии Я-Бе взаимодействием.

4. Установление сильно-связанного характера спиновых колебаний в ферроборатах с расщеплением основного состояния Я-иона (Ъ1с1, 8т, вс!), близким к частоте АФМР. Вывод о перераспределении интенсивностей мод одинаковой симметрии и их чувствительности к величине и знаку ¿-фактора Я-иона, который объясняет следующие особенности динамики конкретных ферроборатов: а) Усиление интенсивности обменной Ыс1 моды за счет отрицательных значений ¿--факторов основного квазидублета Мс13+ в МсШе(ВОз)4. б) Отсутствие в спектрах пропускания Ос1Рез(ВОз)4 мод, связанных с возбуждением ионов вс1, обусловленное компенсацией вклада в ¡л вс! моды при равенстве ¿-факторов ионов железа и гадолиния. Эта компенсация нарушается разбавлением 0<£Рез(В0з)4 анизотропными ионами что делает все редкоземельные моды наблюдаемыми. в) Проявление в 8шРе3(В03)4 резонансных мод ионов за счет возбуждения посредством Я-Бе обмена, а не прямого взаимодействия с магнитным полем.

6. Обнаружение в частотных зависимостях действительной и мнимой частей импеданса Gdo.5Nd0.5Fe3(B03)4 в диапазоне 0.1-20 МГц линий пьезоэлектрического резонанса, их идентификация и определение пьезоупругих параметров.

Диссертационные результаты. По материалам, изложенным в диссертации, опубликованы 7 печатных работ, все они- в журналах определенных ВАК, и тезисы 9 докладов на научных конференциях.

Заключение диссертации по теме "Физика конденсированного состояния"

Основные результаты и выводы работы:

1. Впервые методом квазиоптической субмиллиметровой спектроскопии в спектрах пропускания редкоземельных ферроборатов ЯРез(ВОз)4 (R = Рг, Nd, Sm, Eu, Tb, Y) наблюдались антиферромагнитный резонанс в подсистеме ионов Fe и магнитные возбуждения в R-подсистеме. Выявлена сильная зависимость поведения частот, интенсивностей и условий возбуждения обнаруженных мод от характера магнитной структуры и типа редкоземельного иона. С помощью СКВИД-магнетометра исследованы магнитные свойства (магнитная восприимчивость, кривые намагничивания) монокристаллов ферроборатов, позволившие установить тип магнитной структуры (легкоосная или легкоплоскостная), выявить фазовые переходы и определить характер анизотропии редкоземельной подсистемы.

3. Установлено, что в ферроборатах с Рг, Ей, ТЬ ионами, в которых расщепления основного состояния значительно превышают собственные частоты АФМР Ре-подсистемы, сильное влияние типа редкоземельного иона на динамические свойства (частоты АФМР) обусловлено анизотропным вкладом редкой земли в энергию магнитной анизотропии кристалла. Определены ее величины и температурные зависимости.

4. В ферроборатах КРез(В03)4 с редкими землями Ы = Бт, вс1, расщепления основных состояний которых близки к частотам АФМР, выявлено сильное взаимодействие спиновых колебаний Бе- и Ы-подсистем, определяющее поведение частот и интенсивностей связанных резонансных мод. Показано, что интенсивности этих мод зависят от разности g-факторов Бе и Я ионов, что позволило определить как абсолютную величину, так и знак ^-фактора редкоземельного иона. В частности, установлено, что заметная интенсивность обменных (N<1) мод в Мс1Рез(ВОз)4 обусловлена отрицательным ^-фактором основного дублета N(1 (£Л\± < 0), тогда как в ОсШез(ВОз)4 с близкими ^-факторами ионов Бе и вё « » 2) происходит компенсация их вкладов и обменная (вё) мода не наблюдается. В 8тРез(ВОз)4, несмотря на слабое взаимодействие Бт-ионов с магнитным полем, обнаружены резонансные моды, связанные с возбуждением ионов 8т через Бе-подсистему.

5. Впервые измерена диэлектрическая проницаемость е в субмиллиметровом диапазоне волн чистых и смешанных ферроборатов ЯРез(ВОз)4 с Я = Рг, N(1, Бш, Ей, Ос1, ТЬ, Но, У, Ег. Обнаружены скачки (до 15%) на температурной зависимости действительной части проницаемости ё при структурном фазовом переходе из высокотемпературной фазы 1132 в низкотемпературную фазу РЗ121. Выявлена сильная анизотропия ё вдоль и перпендикулярно тригональной оси с (1 < ёс/е\с < 2) для всех исследованных составов ферроборатов.

6. В ферроборате Ос1о^с105рез(ВОз)4 в радиочастотном диапазоне (1— 20 МГц) впервые наблюдался пьезоэлектрический резонанс, моделирование которого позволило определить пьезоэлектрический коэффициент еи и упругую постоянную сц.

Прежде всего, автор благодарит своего научного руководителя А. А. Мухина за постановку интересных задач, обсуждение полученных результатов, внимание и поддержку. Неоценимую помощь в освоении экспериментальных методик и интерпретации результатов измерений оказали В. Д. Травкин и В. Ю. Иванов. Особая благодарность выражается Л. Н. Безматерных за предоставление для исследований высококачественных образцов. Автор признателен А. А. Волкову и А. С. Прохорову за стимулирующие дискуссии по результатам работы. Автор выражает благодарность сотрудникам Отдела субмиллиметровой спектроскопии ИОФ РАН и Отдела низких температур и криогенной техники ИОФ РАН за постоянную поддержку и доброжелательное отношение.

Заключение.

В работе проведено исследование редкоземельных ферроборатов с помощью техники квазиоптической ЛОВ-спектроскопии, которая позволила обнаружить магнитные возбуждения и определить диэлектрическую проницаемость в субмиллиметровом диапазоне. Эти исследования были дополнены измерениями статических магнитных свойств, дающих информацию о магнитной структуре и фазовых переходах, а также изиерениями радиочастотной диэлектрической проницаемости, обнаружившей пьезоэлектрические особенности.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Кузьменко, Артем Михайлович, Москва

1. Y. Hinatsu, Y. Doi, К. Ito, М. Wakeshima, A. Alemi. Magnetic and calorimetric studies on rare-earth iron borates LnFe¡(BO¡)4 (Ln = Y, La-Nd, Sm-Ho). Journal of Solid State Chemistry 172 , p. 438 (2003).

2. A. H. Васильев, E. А. Попова. Редкоземельные ферробораты RFei(BO¡)4 (Обзор). Физика низких температур, т. 32, № 8/9, с. 968 (2006).

3. А. К. Звездин, С. С. Кротов, А. М. Кадомцева, Г. П. Воробьев, Ю. Ф. Попов, А. П. Пятаков, Jl. Н. Безматерных, Е. Н. Попова. О магнитоэлектрических эффектах в ферроборате GdFe3(BO¡)4. Письма в ЖЭТФ, т. 81, вып. 6, с. 335 (2005).

4. А. М. Кадомцева, А. К. Звездин, А. П. Пятаков, А. В. Кувардин, Г. П. Воробьев, Ю. Ф. Попов, JI. Н. Безматерных. Исследование магнитэлектрических взаимодействий в редкоземельных ферроборатах. ЖЭТФ, т. 132, вып. 1 (7), с. 134 (2007).

5. А. И. Панкрац, Г. А. Петраковский, JI. Н. Безматерных, В. JI. Темеров. Антиферромагнитный резонанс и магнитная анизотропия в монокристаллах системы YFes(B03)4 — GdFe3(BO¡)4. Физика твердого тела, т. 50, вып. 1, с. 77 (2008).

6. E. P. Chukalina, M. N. Popova, L. N. Bezmaternykh, I. A. Gudim. Spectroscopic study of the magnetic ordering in SmFe3(B03)4. Physics Letters A, vol. 374, issues 15-16, p. 1790 (2010).

7. J.-C. Joubert, W. B. White, R. Roy. Synthesis and crystallographic data of some rare earth-iron borates. J. Appl. Cryst., 1, p. 318 (1968).

8. J. A. Campá, С. Cascales, E. Gutiérrez-Puebla, M. A. Monge, I. Rasines, C. Ruiz-Valero. Crystal Structure, Magnetic Order, and Vibrational Behavior in Iron Rare-Earth Borates. Chem. Mater., 9 (1), p. 237 (1997).

9. A. D. Balaev, L. N. Bezmaternykh, I. A. Gudim, V. L. Temerov, S. G. Ovchinnikov, S. A. Kharlamova. Magnetic properties of trigonal

10. GdFe3(B03)4• Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 258-259, p. 532 (2003).

11. S.A. Klimin, D. Fausti, A. Meetsma, L.N. Bezmaternykh, P. H. M. van • Loosdrecht, Т. Т. M. Palstra. Evidence for differentiation in the iron-helicoidal chain in GdFe3(B03)4■ Acta Cryst. B61, p. 481 (2005).

12. A. de Andrés, F. Agulló-Rueda, S. Taboada, C. Cascales, J. Campá, С. Ruiz-Valero, I. Rasines. Raman active phonons of RFe3(B03)4, R=La or Nd, single crystals. Journal of Alloys and Compounds, vol. 250, issues 1-2, p. 396 (1997).

13. А. N. Vasiliev, Е. A. Popova, I. A. Gugim, L. N. Bezmaternykh, Z. Hiroi. Heat capacity of rare-earth ferroborates RFe3(B03)4. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 300, p. e382 (2006).

14. D. Fausti, A. A. Nugroho, P. H. M. van Loosdrecht, S. A. Klimin, M. N. Popova, L. N. Bezmaternykh. Raman scattering from phonons and magnons in RFe3(B03).,. Phys. Rev. В 74, 024403 (2006).

15. С. Ritter, A. Vorotynov, A. Pankrats, G. Petrakovskii, V. Temerov, I. Gudim, R. Szymczak. Magnetic structure in iron borates RFe3(B03)4 (R = Y, Ho): a neutron diffraction and magnetization study. J. Phys.: Condens. Matter 20,' 365209 (2008).

16. A. M. Калашникова, В. В. Павлов, Р. В. Писарев, Л. Н. Безматерных, М. Бауер, Т. Расинг. Линейная и нелинейная оптическая спектроскопия гадолиниевого ферробората GdFe3(B03)4. Письма в ЖЭТФ, т. 80, вып. 5, с. 339 (2004).

17. F. Yen, B. Lorenz, Y. Y. Sun, C. W. Chu, L. N. Bezmaternykh, and A. N. Vasiliev. Magnetic field effect and dielectric anomalies at the spin reorientation phase transition of GdFe3(B03)4. Phys. Rev. В 73, 054435 (2006).

18. А. И. Панкрац, Г. А. Петраковский, Л. H. Безматерных, О. А. Баюков. Антиферромагнитный резонанс и фазовые диаграммы гадолиниевого ферробората GdFe3(BQ3)4. ЖЭТФ, т. 126, вып. 4, с. 887 (2004).

19. Е. А. Попова, Н. Тристан, X. Хесс, Р. Клинглер, Б. Бюхнер, JI. Н. Безматерных, В. JI. Темеров, А. Н. Васильев. Магнитные и тепловые свойства монокристалла ШРез(ВОз)4. ЖЭТФ, т. 132, вып.1 (7), с. 1212007).

20. N. Tristan, R. Klingeler, С. Hess, В. Büchner, Е. Popova, I.A. Gudim and L.N. Bezmaternykh. Thermodynamic properties of NdFe3(803)4. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 316, issue 2, p. e621 (2007).

21. Д. В. Волков, А. А. Демидов, Н. П. Колмакова. Магнитные свойства легкоплоскостного тригоналъного антиферромагнетика NdFe3(B03)4. ЖЭТФ, т. 131, вып. 6, с. 1030 (2007).

22. E. A. Popova, N. Tristan, A. N. Vasiliev, V. L. Temerov, L. N. Bezmaternykh, N. Leps, B. Büchner, and, R. Klingeler. Magnetization and specific heat ofDyFe3(B03)4 single crystal. Eur. Phys. J. В 62, 123 (2008).

23. Д. В. Волков, А. А. Демидов, Н. П. Колмакова. Магнитные свойства DyFe3(B03)4. ЖЭТФ, т. 133, вып. 4, стр. 830-838 (2008).

24. Е. P. Chukalina, D. Yu. Kuritsin, М. N. Popova, L. N. Bezmaternykh, S. A. Kharlamova, V. L. Temerov. Magnetic ordering of NdFe3(BÖ3)4 studied by infrared absorbtion spectroscopy. Physics Letters A, 322, p. 239 (2004).

25. H. Mo, C. S. Nelson, L. N. Bezmaternykh, V. T. Temerov. Magnetic structure of the field-induced mutiferroic GdFe3(B03)4. Phys. Rev. В 78, 2144072008).

26. Т. N. Stanislavchuk, E. P. Chukalina, M. N. Popova, L. N. Bezmaternykh, I. A. Gudim. Investigation of the iron borates DyFe3(B03)4 and НоРез(ВОз)4 by the method of Er3+ spectroscopic probe. Physics Letters A, 368, 408 (2007).

27. R. P. Chaudhury, F. Yen, B. Lorenz, Y. Y. Sun, L. N. Bezmaternykh, V. L. Temerov, and C. W. Chu. Magnetoelectric Effect and Spontaneous Polarization in HoFe3(B03)4 and Hoo.5Ndo.5Fe3(B03)4. Phys. Rev. В 80, 104424 (2009).

28. U. Adem, L. Wang, D. Fausti, W. Schottenhamel, Р. H. M. van Loosdrecht, A. Vasiliev, L. N. Bezmaternykh, B. Büchner, C. Hess, R. Klingeler.37,38.4142,43,44,45,46