Изометричные монокристаллы бората железа - магнитные и магнитоакустические эффекты, страница 7

13б (кривая 1) представляет расчетную кривую MH(р) для тех же условий:α = 0, Н = 90 Э. Между экспериментальной и расчетной кривыми имеютсясущественные различия. В эксперименте, в отличие от теории, фазовый переход нелокализован в точке, что может быть связано с неоднородным распределениемдавления в реальном кристалле. Еще одна причина различий может заключаться в,возможно, нестрогой параллельности поля и давления. Результаты расчета M H(р)для различных углов α приведены на рис. 13б (кривые 2, 3, 4). Полученные кривые25хорошо коррелируют с экспериментом. Они, также, свидетельствуют о том, что двемагнитные фазы – коллинеарная и угловая, – возможные в случае параллельностиполя и давления, вырождаются в одну – угловую, – когда поле и давление непараллельны.В п.

8.3 теоретически изучено магнитное состояние бората железа,находящегося под действием высокого гидростатического давления с однооснойкомпонентой. В работе [19] методами нейтронной дифракции наблюдалисьизменения ориентации магнитных моментов ионов железа в FeBO3 относительнотригональной оси в условиях высокого квазигидростатического давления до 4 ГПа(рис. 14, точки). Эксперименты выполнялись на поликристаллических образцахбората железа, которые помещались в камеру высокого давления с сапфировыминаковальнями. При этом дополнительной передающей среды экспериментаторы неиспользовали. Такая методика должна была приводить к нарушению условийгидростатичности и появлениюанизотропии давления.Дляанализаэкспериментальногорезультатавкачествепростейшеймоделиквазигидростатического давления мы рассмотрели гидростатическое давление содноосной компонентой. Показано, что при ориентации одноосной компонентыдавления в базисной плоскости вдоль оси у (|| myz) АФ вектор действительновыходит из базисной плоскости.

Если считать еще, что гидростатическое иаксиальное давления – величины одного порядка, пропорциональные друг другу, тоугол выхода определяется простым выражениемA1 ⋅ p,(26)tg 2θ = −a′ − A 2 ⋅ pпозволяющим хорошо описать эксперимент (рис. 14, кривая). Здесь а′ эффективнаяконстанта одноосной анизотропии; А1, А2 ∼ В/С ∼ 10−5.Теоретический анализ показал, что чисто гидростатическое давление недолжно приводить к выходу магнитных моментов из базисной плоскости кристаллаFeBO3. Этот результат, также, находится в согласии с экспериментами [19,20].В п. 8.4 проведены теоретические исследования влияния гидростатическогодавления на гексагональную анизотропию ромбоэдрических антиферромагнетиков.Гидростатическое давление не изменяет симметрию кристалла.

Однако можетповлиять на величину магнитной анизотропии. Экспериментальные свидетельстватакого влияния для бората железа нам, к сожалению, неизвестны. Однако длямонокристаллагематита,имеющегосходнуюсборатомжелезакристалломагнитную структуру, такие свидетельства есть. В работе [21] приисследовании угловой зависимости амплитуды поперечного звука в монокристаллегематита в условиях магнитоакустического ДП обнаружено, что величинагексагональной анизотропии экспериментального образца существенно превосходитизвестную для гематита величину. Такое расхождение авторы связывают с тем, чтоиспользуемый ими образец не отожжен.

Объяснение резонно, если предположить,26что в кристалле существуют механические напряжения, возникшие в процессебыстрого охлаждения после синтеза. Эти напряжения в простейшем случае мыможем смоделировать, приложив к идеальному кристаллу гидростатическоедавление. Расчет энергии гексагональной анизотропии ромбоэдрического АФкристалла с учетом гидростатического давления приводит к следующемувыражению:∆F = (e + ∆e mep + ∆e mep + ∆e mep ) cos 6ϕ .1(27)32Здесь е – константа гексагональной кристаллографической анизотропии;d2B2dBd2∆e mep =, ∆e mep ∼, ∆e mep ∼– вклады в3 C 4(a ′ − A ⋅ p)1 4(a ′ − A ⋅ p)2C 4(a ′ − A 2 ⋅ p)22эффективнуюконстантугексагональнойанизотропии,связанныесгидростатическим давлением; d – константа кубической анизотропии.

Оценим этивклады для давлений, не превосходящих по порядку величины р ~ а′/А2 ~1010дин/см2: ∆e mep ∼ 1эрг/см3, ∆e mep ∼ 10−1эрг/см3, ∆e mep ∼10−5эрг/см3. В123экспериментах [21] величина эффективной константы гексагональной анизотропиив несколько раз превосходила константу кристаллографической анизотропии e, чтоможет быть вызвано давлениями рh ∼ 1010дин/см2. Такая оценка представляетсяразумной. Действительно, коэффициент линейного термического расширениягематита α ∼ 10−5град−1.

Снижение температуры кристалла по завершении процессасинтеза составляет величину ∆t ∼ (102 ÷ 103)°. Для термических деформаций приэтом получаем u ∼ α⋅∆t ∼ 10−3 ÷ 10−2. Остаточные деформации таких величиндолжны вызывать механические напряжения p ∼ C⋅u ∼ 109 ÷ 1010дин/см2.В п. 8.5 теоретически исследовано влияние гексагональной базиснойанизотропии, усиленной гидростатическим давлением, на эффекты ДП звука вромбоэдрических АФ кристаллах. Проявление гексагональной базиснойанизотропии и механических граничных условий в магнитном ДП звука визоструктурном борату железа гематите экспериментально обнаружено иисследовано в работе [21].

Звук, как и в случае бората железа, возбуждался ирегистрировался пьезопреобразователями. Поперечная акустическая волнараспространялась вдоль оси 3z кристалла. Поворачивая магнитное поле в базиснойплоскости, экспериментаторы обнаружили хорошо выраженную 60-градуснуюпериодичность эффектов ДП с 180-градусными искажениями (рис. 15, точки).Отметим, что попутно авторы [21] поставили задачу проверки модели,предложенной нами при изучении ДП звука в борате железа, в соответствии скоторой механические граничные условия, обусловленные контактом кристалла спьезопреобразователями, вызывают одноосную магнитную анизотропию. Проведя27дополнительные исследования, сводящиеся к изучению влияния на ДП в гематитеповорота пьезопреобразователей, они эту модель полностью подтвердили.На рис. 15 (точки) приведены экспериментальные угловые зависимостивеличины ∆Н(β) = Hm(β) − Hm(0). Здесь Hm – поле, соответствующее одному измаксимумов ОГТ; β – угол в базисной плоскости между Н и осью 2х [21].Рассмотрим влияние базисной анизотропии на магнитное ДП звука в гематитетеоретически.

Для этого учтем в базисноанизотропной модели (п. 4.5) наряду содноосной индуцированной анизотропией еще и анизотропию гексагональную –кристаллографическую и вызванную гидростатическим давлением (п.8.4). Вотличие от п.4.5, в термодинамический потенциал кристалла включим неиндуцированную магнитную анизотропию, а непосредственно ее источники –одноосное и гидростатическое давление. Действуя по схеме, описанной в п.4.5, мыопределили магнитную добавку к упругому модулю в этом случае:24H E B14∆C a = −,(28)M 0 {2H E H me1 + H ⋅ [H D sin( α + ξ) − H cos 2(α + ξ)]} + G ⋅ H EВыражение (28) представляет собой обобщение (13): G содержит зависящие отдавления базисноанизотропные слагаемые, имеющие аксиальную, гексагональную иболее сложную симметрию.

Далее будем исходить из упрощеннойбазисноанизотропной модели: неоднородностью распределения анизотропии поглубине кристалла пренебрежем. Решая уравнения ∂А/∂Н=0, определяющиемаксимумы кривой А(Н), и варьируя входящие в них параметры, мы получиликривые ∆Н(β) (рис.15), аппроксимирующие эксперимент (точки). Наилучшеесогласие с экспериментом достигается когда давления таковы: гидростатическое ∼1010дин/см2, аксиальное ∼ 108дин/см2.

Подчеркнем, что такое аксиальное давлениепо порядку величины совпадает с нашими оценками для бората железа (см.п.8.1).Девятая глава посвящена синтезу монокристаллов FeBO3 и изучению ихморфологии.В п.9.1 рассмотрены два метода, позволяющие выращивать изометричныемонокристаллы бората железа: метод газового транспорта и метод синтеза изгазовой фазы [22]. Проведенный анализ показал, что с точки зренияэкспериментальной простоты второй метод предпочтительнее. Термодинамическиерасчеты позволили установить, что синтез FeВO3 из газовой фазы можетосуществляться с достаточно высокой скоростью.

В качестве исходных веществ длясинтеза мы использовали Fe2O3 и B2O3. В качестве газа-носителя был выбранхлористый водород HCl. Химические процессы, приводящие к синтезумонокристаллов FeВO3, описываются следующей системой уравнений:Fe 2 O 3 + 6HCl → 2FeCl 3 + 3H 2 O ,B 2 O 3 + H 2 O → 2HBO 2 ,FeCl 3 + HBO 2 + H 2 O → FeBO 3 + 3HCl .28В результате первых двух реакций образуются газообразные вещества,необходимые для синтеза FeВO3 посредством третьей реакции.В п. 9.2 описаны эксперименты по синтезу изометричных монокристалловбората железа. Порошкообразная окись железа и стекловидная окись бора вотдельных платиновых лодочках помещались в кварцевую ростовую ампулу.Откачанная ампула заполнялась хлористым водородом до определенного давления изапаивалась. Синтез проводился в безградиентной горизонтальной ростовой печипри температурах 740 ÷ 760°С в течение 20 ÷ 40 суток.

Точность поддержаниятемпературы составляла 0,1°. В работе приводится информация об используемомростовом оборудовании, подробно описаны этапы подготовки и завершенияростовых экспериментов.Существенное усовершенствование рассматриваемой технологии достигнутонами за счет использования затравочных монокристаллов FeВO3. В этом случае ростосуществлялся при пониженном давлении хлористого водорода, что вело к резкомууменьшению спонтанного зародышеобразования и значительному улучшениюкачества получаемых образцов. Затравочные кристаллы отбирались с учетом ихогранки (оптическая гониометрия) по результатам измерений АФМР.