Спектроскопия редкоземельных ферроборатов RFe3(BO3)4

• Автор: Станиславчук, Тарас Николаевич
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Троицк
• Количество страниц: 117 с. : ил.

Содержание
Введение
Глава 1. Обзор литературы
1.1. Редкоземельные бораты 11Мз(ВОз)4
1.2. Редкоземельные ионы в кристаллах
1.3. Принципы фурье-спектроскопии [47]
Глава 2. Эксперимент
2.1. Фурье-спектрометр ВОМЕМ БАЗ
2.2. Фурье-спёктрометр Вгикег 125НЯ
2.3. Криогенное оборудование
2.4. Поляризационные измерения
2.5. Исследуемые образцы 38 Глава 3. Исследование магнитных фазовых переходов и определение типов магнитных
структур ферроборатов методом эрбиевого спектроскопического зонда
3.1. Спектры зондового иона Ег3+ в РРефВОз'Ь: нефелоксетический сдвиг и сила кристаллического поля
3.2. Магнитные фазовые переходы в КРе.-дВОзЬ (Д=У, Рг, Сб-Ег)
3.3. Магнитные структуры ферроборатов [П-’сДВСР'р (Я=Рг, ТЬ, У, Ег, Но, Ву) 53 Глава 4. Оптические спектры в области //переходов в К3+ ионах и кристаллическое поле в
ИРезСВОз
4.1. Спектры пропускания ориентированных монокристаллов ]5Гс1Рез(ВОз)4 в поляризованном излучении: параметры КП и магнитные свойства №Рез(ВОз)4
4.2. Спектроскошгческое исследование РгРез(ВОз)4. Появление линий запрещенных переходов Гг—»Гг во внутреннем магнитном поле
4.3. Спектры поглощения ТЬРез(ВОз)4. Квазидублет основного состояния иона ТЬ3+
4.4. Спектры поглощения ЕгРез(ВОз)4. Построение схемы энергетических уровней иона Ег3+
4.5. Структурный фазовый переход в спектрах пропускания ЕиРез(ВОз)4
Заключение
Список литературы

Введение
Актуальность работы. Редкоземельные (РЗ) ферробораты КРез(ВОз)4
члены семейства боратов с общей формулой КМ3(ВОз)4 (Ы=У или Ьа-Ьи, М=А1,
ва, Бс, Сг, Бе). Кристаллическая структура этих соединений изоморфна
структуре природного минерала хантита и описывается пространственной
группой симметрии 13.32, не содержащей операции инверсии. Наиболее хорошо
изученными представителями данного семейства являются алюминиевые *
бораты. Они обладают хорошими люминесцентными и нелинейными оптическими свойствами, а также хорошей механической прочностью и химической стойкостью, что делает эти соединения интересными для практических применений. Алюмобораты - это уникальные полифункциональные материалы для нелинейной оптики и лазерной техники. В частности, кристаллы ]Мс1х(У,Ос1)1_хА1з(ВОз)4 и УЬ:¥А13(В03)4 используются в качестве нелинейной среды в лазерах с самоудвоением и смешением частот, и в минилазерах. Хотя РЗ ферробораты были синтезированы ещё в 60е годы прошлого века, лишь недавно был достигнут существенный прогресс в технике роста этих кристаллов. Были получены большие совершенные монокристаллы, обладающие такими же замечательными физическими характеристиками, как и кристаллы родственных им алюмоборатов. Это стимулировало интенсивные исследования РЗ ферроборатов различными методами. Всё возрастающий интерес исследователей к этим соединениям связан, прежде всего, с богатыми магнитными свойствами РЗ ферроборатов, которые обусловлены наличием двух взаимодействующих магнитных подсистем (РЗ и железа). Кроме того, как было недавно установлено, РЗ ферробораты принадлежат к новому классу мультиферроиков [1-3]. Это делает соединения КРе3(ВОз)4 интересными не только для исследований, но и для возможных применений.
Магнитные и магнитоэлектрические свойства РЗ ферроборатов очень различны для разных РЗ ионов. Для понимания причины этих различий первостепенное значение имеет знание штарковской структуры уровней и волновых функций РЗ ионов в РЗ ферроборатах. Эти данные могут быть

получены методами оптической спектроскопии, в сочетании с расчетами по теории кристаллического поля (КП). С другой стороны, оптическая спектроскопия непосредственно дает информацию о магнитных свойствах. Так, по расщеплению спектральных линий, соответствующих переходам между крамерсовыми дублетами, однозначно фиксируется магнитное упорядочение и, как будет показано в диссертации, определяется тип магнитной структуры.
Из вышесказанного следуют цели данной работы:
1. Выявление магнитных фазовых переходов и определение типов магнитных структур ферроборатов.
2. Определение штарковской структуры уровней РЗ ионов и представлений, по которым преобразуются соответствующие волновые функции.
Метод исследования. Спектры исследуемых соединений в широком интервале температур регистрировались в поляризованном свете с помощью фурье-спектрометров высокого разрешения ВОМЕМ БАЗ.002 и Вгикег 1251113. Далее проводилась компьютерная обработка и анализ полученных данных.
Научная новизна полученных результатов:
1. Впервые обнаружено магнитное упорядочение в ферроборате эрбия, происходящее при температуре 39±1 К как фазовый переход второго рода.
2. Спектроскопическим методом зарегистрировано магнитное упорядочение в монокристаллических образцах ферроборатов празеодима, тербия, европия, диспрозия и гольмия при температурах 31,41, 35, 39 и 39 К, соответственно.
3. Зарегистрирован фазовый переход первого рода в ферроборате европия при температуре 58 К. Этот переход обусловлен переходом структуры ферробората из высокосимметричной Ы32 структуры в более низкосимметричную РЗ ] 21 структуру при понижении температуры.
4. По спектрам иона ТЬ3+ в ТЬЕез(В03)4 было выявлено, что его основное состояние представляет собой квазидублет (то есть два близких штарковских уровня), который расщепляется в эффективном магнитном поле, возникающем при магнитном упорядочении.

образца соединена с помощью капилляра и игольчатого клапана с гелиевой емкостью объемом три литра. Регулируя поток гелия на входе капилляра игольчатым клапаном и на выходе из рабочей камеры дросселем, можно установить температуру на образце в широких пределах (от 4.2 К до комнатной). Температуры ниже точки кипения жидкого гелия, равной 4.2 К, достигались путем откачки паров гелия из шахты криостата. Для контроля температуры использовалась термопара Cu:Cui.xFex. Измерительный спай термопары находился в рабочей камере рядом с образцом, а реперный спай погружался в смесь воды со льдом. Измерение термо-эдс и стабилизация
температуры осуществлялась с помощью прецизионного компаратора напряжений типа Р3003. Точность измерения абсолютной температуры составляла лучше 0.5 К, стабилизации — ±0.05 К. Конструкция вставки позволяла убирать образец с оптического пути криостата, для снятия референтного спектра, и возвращать его в то же самое положение, не нарушая юстировки системы.
На рис. 2.4 представлена фотография криостата замкнутого цикла CryoMech ST 403. При работе с этим криостатом образец помещался на медном «пальце», который охлаждался с помощью системы Pulse Tube. Система Pulse Tube позволяет существенно уменьшить вибрации, что очень важно при работе с прецизионным оборудованием, таким как фурье-спектрометры. Перед охлаждением внутренний объем криостата откачивался до давления 5><10‘4 Topp с помощью турбомолекулярного насоса Varian V 70 turbo. Охлаждение происходит в две стадии: первая стадия позволяет охлаждать образец до 70 К, вторая - вплоть до 3.5 К. Окна криостата выполнены из материала UF2. Температура определялась с помощью кремниевого диода, который размещался на охлаждающем пальце рядом с образцом. Стабилизация

Рисунок 2.4. Криостат замкнутого цикла CryoMech ST 403.