Автореферат (Магнитные, магнитоупругие и спектроскопические свойства соединений с 4F- и 3D-ионами чистых, замещенных и разбавленных составов)

На правах рукописиДемидов Андрей АлександровичМАГНИТНЫЕ, МАГНИТОУПРУГИЕ И СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕСВОЙСТВА СОЕДИНЕНИЙ С 4f- И 3d-ИОНАМИЧИСТЫХ, ЗАМЕЩЕННЫХ И РАЗБАВЛЕННЫХ СОСТАВОВСпециальность 01.04.11 – физика магнитных явленийАвторефератдиссертации на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукБрянск – 2016Работа выполнена на кафедре общей физики Федерального государственногобюджетного образовательного учреждения высшего образования«Брянский государственный технический университет»Научный консультант:Васильев Александр Николаевич,доктор физико-математических наук, профессор, ФГБОУ ВО «Московскийгосударственный университет имени М.В.Ломоносова», физический факультет,заведующий кафедрой физики низких температур и сверхпроводимости.Официальные оппоненты:Попов Александр Иванович,доктор физико-математических наук, профессор, ФГАОУ ВО «Национальныйисследовательский университет «Московский институт электронной техники»,факультет электроники и компьютерных технологий, профессор кафедры общейфизики.Москвин Александр Сергеевич,доктор физико-математических наук, профессор, ФГАОУ ВО «Уральскийфедеральный университет имени первого Президента России Б.Н.

Ельцина»,Институт естественных наук, заведующий кафедрой теоретической физики.Пастушенков Юрий Григорьевич,доктор физико-математических наук, профессор, ФГБОУ ВО «Тверскойгосударственный университет», физико-технический факультет, заведующийкафедрой физики конденсированного состояния.Ведущая организация:ФГБУН Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН.Защита состоится 16 февраля 2017 г. в 16:00 часов на заседаниидиссертационного совета Д 501.001.70 на базе Московского государственногоуниверситета имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991 ГСП-1, Москва,Ленинские горы, д.

1, стр. 35, конференц-зал Центра коллективного пользованияфизического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.С диссертацией можно ознакомиться в Отделе диссертаций Научнойбиблиотеки МГУ имени М.В. Ломоносова (Ломоносовский пр., д. 27) и в сетиInternet по адресу: http://www.phys.msu.ru/rus/research/disser/sovet-D501-001-70/Автореферат разослан ____ ____________ 2016 г.Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.001.70кандидат физико-математических наук, доцентА.И. Ефимова3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальностьтемыисследования.Однойизактуальныхзадачсовременной физики магнитных явлений является исследование свойствредкоземельных (РЗ) магнитных материалов.

Среди РЗ соединений особенноважными и с практической, и с фундаментальной точек зрения являютсяматериалы на основе 4f- и 3d-элементов, поскольку они характеризуютсябольшим разнообразием физических свойств, а в ряде случаев демонстрируютгигантские эффекты. Повышение эффективности управления магнитными иэлектрическими свойствами таких материалов является одной из важных задачсовременной электроники. Изучение кристаллического поля (КП), обменного имагнитоупругого взаимодействий в 4f-3d соединениях позволяет решатьпроблемы, имеющие фундаментальное значение.Интересной представляется возможность исследования и сравнения свойствРЗ соединений в разных изоструктурных модификациях – с двумя магнитнымиподсистемами (4f и 3d) и с одной (4f).

Это позволяет выделить вклад каждой изподсистем в обнаруженных эффектах и способствует лучшему пониманиюмеханизмов спонтанных и индуцированных магнитным полем фазовыхпереходов, механизмов появления сильной магнитоэлектрической связи вмагнитоупорядоченных и парамагнитных материалах, природы магнитнойанизотропии, проблемы определения электронного спектра и волновыхфункций РЗ иона в магнитоупорядоченном кристалле и др.В качестве объектов исследования были выбраны тригональные РЗ боратыRM3(BO3)4 (R = Y, La-Lu; M = Al, Sc, Cr, Fe, Ga), привлекающие в последнеедесятилетие все большее внимание благодаря своим ярким физическимсвойствам и их большому разнообразию при различных комбинациях R- и Мэлементов [1, 2, 3].

Для боратов с двумя магнитными подсистемами RFe3(BO3)4(ферробораты) установлена их принадлежность к классу мультиферроиков [1,2]. Железная подсистема в ферроборатах упорядочивается антиферромагнитнопри ТN  30-40 К. РЗ подсистема подмагничена за счет f–d-взаимодействия и4дает значительный вклад в магнитную анизотропию соединения и ориентациюмагнитных моментов [2]. Бораты с одной магнитной подсистемой RAl3(BO3)4(алюмобораты) сочетают люминесцентные и ярко выраженные нелинейныеоптические свойства и, как недавно было установлено, обнаруживаютгигантские значения магнитоэлектрической поляризации, в разы превышающиеизвестные максимальные значения поляризации, в том числе и в ферроборатах[3].

Представляет большой интерес исследование новых боратов замещенных(смешанных) составовR1(1)x R (x2 ) M3 (BO3 )4 , обеспечивающих еще большееразнообразие обнаруживаемых эффектов [4], а в ряде случаев и их усиление [5].Бораты с двумя магнитными подсистемами (M = Fе или Cr) в областиупорядочения ведут себя как трехмерные антиферромагнетики, что даетвозможность при их изучении применять обычные теоретические подходы,например приближение молекулярного поля. В ферроборатах RFe3(BO3)4 сразными РЗ ионами реализуются разные магнитные структуры и расчетмагнитных, магнитоупругих и других характеристик в апробированной моделиКП для РЗ иона позволяет установить роль РЗ подсистемы в формированиимагнитного поведения.

Сравнение рассчитанныххарактеристик боратовRM3(BO3)4 с экспериментальными данными позволяет определить актуальныепараметры и анализировать их изменения как по РЗ ряду, так и междуизоструктурными модификациями.Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы являлосьтеоретическое исследование магнитных, магнитоупругих и спектроскопическихсвойств соединений с 4f- и 3d-ионами чистых, замещенных и разбавленныхсоставов в рамках единого подхода.Задачами работы являлись: построениетеоретическогоподхода,отражающегоиерархиювзаимодействий и кристаллическую и магнитную структуру РЗ боратовRM3(BO3)4 (M = Al, Cr, Fe, Ga) чистых, замещенных и разбавленных составов наоснове апробированного подхода для случая чистых РЗ ферроборатов;5 определение параметров КП для РЗ ионов в структуре боратов RM3(BO3)4; расчет магнитных, магнитоупругих и спектроскопических характеристикв магнитоупорядоченной и парамагнитной фазах, а также анализ их аномалийпри спонтанных и индуцированных магнитным полем фазовых переходах;установление механизмов и описание фазовых переходов; расчет полевых и температурных зависимостей мультипольных моментовРЗ ионов, определение актуальных моментов и их сопоставление с полевыми итемпературными зависимостями электрической поляризации; расчет эффекта Зеемана в магнитном поле с целью сопоставленияособенностей спектра РЗ иона и термодинамических характеристик; количественная интерпретация экспериментальных данных и определениепараметров исследуемых соединений; сравнительный анализ исследованных свойств и их зависимости от типаосновного состояния РЗ иона, соединения и магнитного поля.Всоответствииспоставленнымизадачамивкачествеобъектовисследования были выбраны следующие соединения:1) РЗ бораты с двумя магнитными подсистемами: ферробораты RFe 3(BO3)4,разбавленныезамещенныеферроборатыRxY1-xFe3(BO3)4,ферроборатыхромоборатыNd1-xDyxFe3(BO3)4,RCr3(BO3)4,Tb1-xErxFe3(BO3)4,Sm1-xHoxFe3(BO3)4 и Ho1-xNdxFe3(BO3)4;2) РЗ бораты с одной магнитной подсистемой: алюмобораты RAl3(BO3)4,разбавленныйалюмоборатY0.65Nd0.35Al3(BO3)4,галлоборатHoGa3(BO3)4,замещенные алюмобораты Ho1-хNdхAl3(BO3)4 и TmAl3-xScx(BO3)4.Всего с учетом концентраций исследовано 34 состава РЗ боратов.Научная новизна и защищаемые результаты.

Впервые проведенырасчеты магнитных, магнитоупругих и спектроскопических характеристиксоединений с 4f- и 3d-ионами чистых, замещенных и разбавленных составов врамках единого подхода, основанного на модели КП для РЗ иона иприближении молекулярного поля, а также количественная интерпретацияэкспериментальныхданныхиопределениепараметровисследованных6соединений.Конкретнаянаучнаяновизнадиссертационнойработыопределяется следующими основными результатами, выносимыми на защиту: развитиетеоретическогоподхода,позволяющегорассчитыватьтермодинамические характеристики РЗ боратов RM3(BO3)4 (M = Al, Cr, Fe, Ga)чистых, замещенных и разбавленных составов с любыми редкими землями; рассчитанные кривые намагничивания боратов с двумя магнитнымиподсистемами в упорядоченной и парамагнитной областях в широкомтемпературном диапазоне:1) ферроборатов RFe3(BO3)4 с R = Y, Pr, Nd, Sm, Tb, Dy, Ho и Er;2) разбавленных ферроборатов PrxY1-xFe3(BO3)4 (x = 0.75, 0.67, 0.55, 0.45, 0.25) иRxY1-xFe3(BO3)4 (R = Dy и Tb);3) хромоборатов RCr3(BO3)4 с R = Nd, Tb и Dy;4) замещенных ферроборатов Nd1-xDyxFe3(BO3)4 (x = 0.05, 0.1, 0.15, 0.25, 0.4),Tb0.25Er0.75Fe3(BO3)4, Sm0.7Ho0.3Fe3(BO3)4 и Ho0.5Nd0.5Fe3(BO3)4; рассчитанные кривые намагничивания боратов с одной магнитнойподсистемой:1) алюмоборатов HoAl3(BO3)4, TmAl3(BO3)4 и ErAl3(BO3)4;2) разбавленного алюмобората Y0.65Nd0.35Al3(BO3)4;3) галлобората HoGa3(BO3)4;4) замещенных алюмоборатов Ho1-хNdхAl3(BO3)4 (х = 0.2, 0.5) и TmAl2.5Sc0.5(BO3)4; рассчитанныетемпературныезависимостиначальноймагнитнойвосприимчивости вдоль основных кристаллографических направлений; описаниеаномалий типа Шоттки и сопоставление их со спектроскопической информациейдля указанных боратов с одной и двумя магнитными подсистемами; установленныемеханизмыиописаниефазовыхпереходов,индуцированных внешним магнитным полем, для боратов с двумя магнитнымиподсистемами; описание спонтанного спин-переориентационного перехода вHoFe3(BO3)4, Nd1-xDyxFe3(BO3)4 (x = 0.05, 0.1, 0.15, 0.25) и Ho0.5Nd0.5Fe3(BO3)4;7 описаниеипредсказаниетрансформациимагнитнойструктурывразбавленных ферроборатах; результаты расчета вклада РЗ подсистемы в теплоемкость RM3(BO3)4; рассчитанные полевые и температурные зависимости мультипольныхмоментов РЗ ионов; анализ применимости квадрупольного и мультипольногоприближений и описание магнитострикции ферроборатов RFe3(BO3)4 с R = Pr,Nd, Sm, Tb, Dy, Ho, Er и алюмоборатов RAl3(BO3)4 с R = Ho и Tm; описание ипредсказание аномалий теплового расширения; определенные актуальные мультипольные моменты РЗ ионов и ихсопоставление с полевыми и температурными зависимостями электрическойполяризации для боратов с одной магнитной подсистемой; успешноесравнениеспектроскопическихрассчитанныххарактеристиксмагнитных,магнитоупругихэкспериментальнымиданнымиииопределенные актуальные параметры боратов RM3(BO3)4.Достоверностьиспользованиемполученныхапробированныхрезультатовтеоретическихработыподтверждаетсямоделей,современныхчисленных методов и согласием полученных теоретических результатов сэкспериментальными данными.Теоретическаяипрактическаязначимостьработы.Результатыпроведенного теоретического исследования позволяют в едином подходеописатьбольшуюмагнитоупругих,совокупностьособенностеймагнитоэлектрическихиповедениямагнитных,спектроскопическихсвойствсоединений с 4f- и 3d-ионами чистых, замещенных и разбавленных составов.В рамках развитых в диссертации представлений объяснен большой массивэкспериментальных данных, некоторые аномалии исследованных характеристикпредсказаны и затем экспериментально обнаружены.Практическая значимость работы заключается в возможности примененияполученных результатов для эффективного управления физическими свойствамисоединений с 4f- и 3d-ионами с помощью внешнего магнитного поля,8температуры и замещений в R- и М-подсистемах, что в конечном счете будетспособствовать созданию приборов, основанных на взаимном контролемагнитных, электрических и деформационных состояний.Работа выполнялась при финансовой поддержке трех грантов ПрезидентаРФ(МК-4393.2006.2(руководитель),МК-497.2010.2(руководитель)иМК-1700.2013.2), проектов РФФИ (№ 13-02-12442 офи_м2, № 12-02-31007мол_а (руководитель) и № 09-02-90720-моб_ст), Международного научнотехнического центра (МНТЦ-3501) и гранта Губернатора Брянской области(№ 3, 2011 г.