Изометричные монокристаллы бората железа - магнитные и магнитоакустические эффекты

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В. ЛОМОНОСОВА__________________________________________________ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиУДК537.622.5;537.956;534.321.9СТРУГАЦКИЙ Марк БорисовичИЗОМЕТРИЧНЫЕ МОНОКРИСТАЛЛЫ БОРАТА ЖЕЛЕЗА:МАГНИТНЫЕ И МАГНИТОАКУСТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫСпециальность 01.04.11 – физика магнитных явленийАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукМосква - 2008РаботавыполненавТаврическомнациональномуниверситетеим.

В.И. Вернадского и на кафедре магнетизма физического факультетаМосковского государственного университета им. М.В. ЛомоносоваНаучный консультант:доктор физико-математическихнаук, профессор Зубов В.Е.Официальные оппоненты:доктор физико-математическихнаук, профессор Звездин А.К.доктор физико-математическихнаук, профессор Иванов Б.А.доктор физико-математическихнаук, профессор Четкин М.В.Ведущая организация:Институт кристаллографии РАНЗащита состоится «___»_________2008 г.специализированногосоветав _____час. на заседанииД.501.001.70 в Московском государственномуниверситете им.

М.В. Ломоносова по адресу: 119992 ГСП-2, г. Москва, Ленинскиегоры, МГУ, физический факультет, конференц-зал Центра коллективногопользования.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.Автореферат разослан «___»_________ 2008 г.Ученый секретарь специализированного советаД.501.001.70 в МГУ им.

М.В. Ломоносовадоктор физико-математических наук,профессорГ.С. ПлотниковОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. Борат железа, FeBO3, является благодатным модельнымобъектом многочисленных исследований в области физики твердого тела. Этосвязано с редким комплексом его свойств – магнитных, резонансных, оптических,магнитооптических (МО), магнитоупругих (МУ).

Сочетание же некоторых из этихсвойств в борате железа уникально. Так прозрачность в видимой области спектрасосуществует в нем с магнитным упорядочением.Традиционно монокристаллы бората железа выращивают из раствора врасплаве. В этом случае образцы обычно получаются в виде тонких базисныхпластинок толщиной 50 – 100 мкм. Совершенствуя такую методику, мы добилисьопределенных положительных результатов: синтезированы крупные кристаллывысокого структурного совершенства. На наших кристаллах выполненымногочисленные исследования. Отметим лишь некоторые из них.

Развитие новогоэкспериментального метода – магнитной мессбауэрографии (Лабушкин, Саркисян,ВНИИФТРИ), экспреименты по АФМР (Рудашевский, ИОФ РАН), бриллюэновскоерассеяние на звуке (Боровик-Романов, Крейнес,Ин-т физ. проблем РАН),возбуждение мессбауэровских переходов синхротронным излучением (Артемьев,Чечин, Андронова, РНЦ «Курчатовский ин-т»), исследование динамики доменныхграниц (Четкин, Лыков, МГУ), эксперименты в условиях сверхвысокого давления(Любутин, Саркисян, Ин-т кристаллографии РАН).Однако тонкие базисные пластинки не позволяют изучать все эффекты,которые можно ожидать в борате железа. Для исследования некоторых важныхэффектов необходимо иметь изометричные (объемные) образцы. Речь идет, вчастности, о поверхностном магнетизме и магнитоакустических (МА) явлениях.

Впервом случае требуются кристаллы с хорошо развитыми небазисными гранями, вовтором – с большим расстоянием между противоположными базисными гранями.Получение таких кристаллов явилось исходной задачей диссертационной работы,успешное решение которой и сделало возможным обнаружение и исследованиеновых эффектов. Для выращивания изометричных монокристаллов бората железа вработе применен метод синтеза из газовой фазы. Тонкие базисные пластинки FeBO3нами тоже использовались, но задачи, решаемые с их помощью, инициированыисследованиями на изометричных кристаллах.Теперь перейдем к краткому описанию поверхностного магнетизма имагнитного двупреломления (ДП) звука, исследованию которых посвященадиссертационная работа.Изучение поверхностных магнитных явлений – важная и актуальная задача.Это не в последнюю очередь связано с современной тенденцией в развитиимагнитной микроэлектроники, заключающейся в миниатюризации ее элементнойбазы и устройств.

Сейчас разрабатываются и создаются магнитные головки срабочим зазором в десятые доли микрометра, интегральные магнитные головки,3накопители на цилиндрических магнитных доменах и субструктурных элементахдоменных границ. Прогресс в этой области в значительной степени определяетсяуспехами в технологии синтеза тонких магнитных пленок, разнообразных похимическому составу, кристаллической и магнитной структуре. Уменьшениетолщины пленок приводит к возрастанию роли поверхности в формировании ихрабочих характеристик.

Поверхность, являясь естественным дефектом структуры,изменяет магнитные свойства в тонком приповерхностном слое магнетика.Совокупность магнитных эффектов, обусловленных поверхностью магнетика,называют поверхностныммагнетизмом.Обычно влияние поверхностираспространяется на приповерхностный слой, толщина которого определяетсямногими факторами и варьируется от единиц до сотен тысяч атомных слоев.

Неельпервым указал на существование особой поверхностной магнитной анизотропии вферромагнетиках, вызванной нарушением симметрии окружения приповерхностныхатомов [1]. Однако проявление этой сравнительно слабой анизотропии обычноподавляется размагничивающими полями и значительной кристаллографическойанизотропией. По оценкам Нееля поверхностная анизотропия может проявлятьсятолько в очень малых ферромагнитных частицах ~ 100 Å. Именно по этой причинеособые поверхностные магнитные свойства в большей степени характерны дляультратонких пленок.Однако существует класс магнитных материалов, в которых поверхностнаяанизотропия должна проявляться не только в пленках, но даже в приповерхностнойобласти массивных монокристаллов.

Это антиферромагнетики со слабымферромагнетизмом и магнитной анизотропией типа легкая плоскость, к которымпринадлежит борат железа. Поверхностная анизотропия в таких кристаллах небудет подавляться ввиду малости размагничивающих полей, пропорциональныхслабой намагниченности, и практического отсутствия кристаллографическойанизотропии в базисной плоскости. Можно заключить, чтокристаллылегкоплоскостных слабых ферромагнетиков представляют собой идеальныймодельный объект для наблюдения поверхностной анизотропии.

Впервыесуществование поверхностной анизотропии на небазисных гранях таких кристалловбыло обнаружено и изучено в работах Кринчика и Зубова с соавторами [2,3] приМО исследованиях изоструктурного борату железа гематита. Поверхностнаяанизотропия приводит к образованию в приповерхностной области кристалланеоднородного магнитного слоя. В случае слабых ферромагнетиков поверхностныймагнетизм проявляется по существу в виде такого переходного слоя. Условия дляобразования переходного слоя возникают и в приповерхностной областиортоферритов эрбия и тербия вблизи температуры ориентационного перехода [4,5].Для выяснения механизмов поверхностной анизотропии важно исследоватьповерхностный магнетизм и других кристаллов, обладающих благоприятными дляего появления свойствами.

К таким кристаллам в первую очередь следует отнести4борат железа. Из-за большей, чем в гематите спонтанной намагниченности ибольшего среднего расстояния между магнитными ионами Fe3+ здесь можноожидать меньших полей намагничивания переходного слоя и, таким образом,получения более полной картины явления (в гематите эти поля из-за своей большойвеличины оказались недостижимы [3]).

Специфика гематита состоит в том, чтовозможны два варианта расположения магнитных ионов на поверхности. Этозатрудняет теоретический анализ экспериментов. В борате железа такой проблемынет. Благоприятным фактором для исследования поверхностного магнетизма боратажелеза является невысокая температура Нееля, что существенно упрощаеттемпературные исследования эффектов. Кроме этого синтезированные намиобразцы FeBO3 обладают большим по сравнению с гематитом набором типовнебазисных граней, что также способствует полноте решения задачи. Отметим, чтов работе [6] обнаружено проявление наведенной поверхностной анизотропии набазисных гранях синтезированного нами монокристалла 57FeBO3.Следующий эффект находится в ряду явлений, сравнительно недавнопредсказанных и описанных в работах Турова [7,8].

Речь идет об акустическоманалоге оптического эффекта Коттона-Мутона – линейном ДП звука в АФкристаллах. Впервые экспериментально такой эффект был обнаружен в карбонатемарганца, MnCO3, Гакелем [9] и теоретически обоснован Туровым [8]. Туровым жеинициированы и наши исследования на борате железа.Суть эффекта состоит в том, что при распространении поперечной линейнополяризованной звуковой волны вдоль оси третьего порядка ромбоэдрического АФкристалла одна из линейно поляризованных мод не взаимодействует с магнитнойподсистемой (немагнитная мода), а вторая весьма существенно взаимодействует сней (магнитная мода).

Скорость звука магнитной моды зависит от магнитного поля,что приводит к сдвигу фаз между модами и эллиптической поляризации прошедшейв кристалле волны. ДП звука вызывается магнитным вкладом ∆С в эффективныйупругий модуль C eff = C + ∆C антиферромагнетика. Этот вклад, возникающий приучете МУ слагаемых в термодинамическом потенциале кристалла, был впервыеопределен Ожогиным и Преображенским [10].Наиболее существенного проявления эффектов магнитоакустического ДПможно ожидать в АФ кристаллах с сильной МУ связью.