Субмиллиметровые спектроскопические и магнитные свойства мультиферроиков семейства редкоземельных ферроборатов

• Автор: Кузьменко, Артем Михайлович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 125 с. : ил.

Содержание
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 1_хГ'ез(В0з)4

Глава 2. Экспериментальные методики

2.2. Субмиллиметровая квазиоптическая ЛОВ-спсктроскопия

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. 59 Глава 4. Влияние анизотропии редкоземельных ионов на магнитные свойства и антиферромагнитный резонанс в ферроборатах с Я = У, Ей, Рг,
ТЬ и Tbu.2sEro.7s
4.1. АФМР и магнитные свойства легкоплоскостных ферроборатов иттрия и европия
4.2. АФМР и магнитные свойства легкоосных ферроборатов РгРеДВОз).), ТЬРе3(ВОз)4 и ТЬ0 гзЕго 751:е,(ВОз)4
Глава 5. Эффекты взаимодействия Я- и Ее-мод магнитного резонанса в редкоземельных ферроборатах ЯЕеДВОэД с Я = N(1, 8т, Сс1, а также смешанных составах на их основе
5.1. Экспериментальные исследования магнитных возбуждений в Я- и Реподсистемах ферроборатов
5.2. Теоретический анализ магнитного резонанса во взаимодействующих подсистемах Я- и Ре-ионов
5.3. Сопоставление теории с экспериментом и обсуждение результатов
Заключение
Список литературы

Введение
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(В03)4 (В = У, Ьа — Ьи; М=А1, Са, 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 изученными1 представителями этого семейства являются алюмоборатьт ЯА13(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 ЯРе3(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 Бе3+ в ферроборагах происходит при Т:у ~ 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 яб-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-Бе 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 УхСс1[.хРе3(ВОз)4 [7], частоты АФМР лежат в диапазоне 1-5 см'1. Оптические исследования [2, 8, 9] показали, что характерные расщепления
редкоземельных ионов (Ег, N6, Бш) 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.

Temperature (К)
Рис. 1.16. Температурные зависимости магнитной восприимчивости NdFe3(BC>3)4 [8]. Значки — эксперимент из работы [30], сплошные линии — расчет [8]. На вставке изображена рассчитанная магнитная восприимчивость домена, в котором магнитные моменты лежат в базисной плоскости под углом <р к направлению внешнего магнитного поля (1 - q> = ж/2, 2 - <р = ± ж/3, 3 - <р = ± ж/6, 4 - ip = 0) [8].
Подобные спектроскопические исследования были проведены для ферроборатов PrFe3(B03)4 [42]; TbFe3(B03)4, DyFe3(B03)4, HoFe3(B03)4, ErFe3(B03)4 [44]; SmFe3(B03)4 [9]. Установлено, что ионы Рг3+, не имеющие в основном состоянии магнитного момента приобретают в магнитном поле наведенный магнитный момент, который отличен от нуля только вдоль с-оси, за счет чего Рг легкоплоскостное магнитное состояние в PrFe3(B03)4. Вычисленные g-фактора и расщепления основных состояний редкоземельных ионов в TbFe3(B03)4, DyFe3(B03)4, HoFe3(B03)4, ErFe3(B03)4 приведены в табл. 1.3. Анизотропия редкоземельной подсистемы ферроборатов неодима и эрбия способствует установлению легкоплоскостного состояния магнитной подсистемы железа, а в случае