Магнитные и магнитоупругие свойства редкоземельных ферроборатов RFe3(BO3)4, R = Nd, Tb, Dy

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТим. М. В. ЛОМОНОСОВА_____________________________________________________________ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиВОЛКОВ ДЕНИС ВИТАЛЬЕВИЧМАГНИТНЫЕ И МАГНИТОУПРУГИЕ СВОЙСТВА РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХФЕРРОБОРАТОВ RFe3(BO3)4, R = Nd, Tb, Dy01.04.11 - физика магнитных явленийАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква - 2007Работа выполнена на кафедре физики низких температур исверхпроводимостифизическогофакультетаМосковскогогосударственного университета им. М.В.

ЛомоносоваНаучные руководители:доктор физико-математических наук,профессор Васильев Александр Николаевичдоктор физико-математических наук,профессор Колмакова Наталья ПавловнаОфициальныедоктор физико-математических наук,оппоненты:профессор Любутин Игорь Савельевичкандидат физико-математических наук,доцент Котельникова Ольга АнатольевнаВедущая организация:Институт общей физики РАНим. А.М. ПрохороваЗащита состоится “15” ноября 2007 г. в 16 час.

на заседаниидиссертационного совета К 501.001.02 в МГУ им. М.В. Ломоносова поадресу: 119992, ГСП-2, Москва, Воробьевы горы, МГУ, физическийфакультет, аудитория ______.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физическогофакультета МГУ им. М.В. Ломоносова.Автореферат разослан “_____” октября 2007 г.Ученый секретарьдиссертационного советаНиканорова И.А.1ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. Соединения, содержащие 4f и 3d элементы,весьма перспективны для практического применения, поскольку обладаютбольшим разнообразием магнитных, магнитоупругих, магнитооптических,резонансных и других физических свойств.

Они используются илиисследуются для использования в качестве рабочих материалов в лазернойи вычислительной технике, прикладной магнитооптике, в различныхустройствах микроэлектроники, магнитоакустики и т.д.Изучение 4f-3d соединений важно не только с точки зрения ихпрактического применения. Существование двух магнитных подсистем сосвоей спецификой взаимодействия представляет большой интерес дляфизики магнитных явлений. В формировании физических свойств этихсоединений важнейшую роль играет кристаллическое поле, а такжемагнитоупругое взаимодействие, их изучение позволяет решать проблемы,имеющие фундаментальное значение для физики твердого тела.

Вчастности, оно способствует выяснению ключевых вопросов магнетизма:природыкристаллическогополя,магнитоупругоговзаимодействия,магнитной анизотропии, механизмов индуцированных магнитным полемфазовых переходов в f-d системах и т.д.В качестве объектов исследования были выбраны редкоземельные(РЗ) ферробораты RFe3(BO3)4, имеющие структуру минерала хантита,которые характеризуются яркими магнитными и магнитоупругимисвойствами и их аномалиями при индуцированных магнитным полемфазовых переходах. В случае R = Gd, Nd установлена [1, 2]принадлежностьэтихсоединенийкклассумультиферроиков,исследование соединений с другими R в этом аспекте еще не проводились.Fe подсистема в РЗ ферроборатах упорядочивается антиферромагнитнопри температурах Нееля ТN порядка 30-40 К.

Кристаллы RFe3(BO3)4 имеюттригональнуюсимметрию(пространственнаягруппаR32)и2характеризуются цепочечной структурой для ионов железа, цепочкиориентированы вдоль тригональной оси с. В области упорядочения этисоединения, тем не менее, ведут себя практически как обычныетрехмерные антиферромагнетики. Это позволяет использовать их какобъектыдляисследованияприменимостиобычныхтеоретическихподходов, например, приближения молекулярного поля. Поскольку РЗферробораты RFe3(BO3)4 с разными редкими землями имеют разныемагнитные структуры, это дает возможность выявить роль РЗ подсистемывформированиихарактеристикмагнитныммагнитнойифазовыхполем,структурыпереходов,апробированнымиприизучениимагнитныхиндуцированныхвнешнимтеоретическимимоделями(например, модель кристаллического поля для РЗ иона в соединении).Сравнениерассчитанныхфизическихвеличинсихзначениями,определенными в эксперименте, представляет возможность определитьпараметры соединения, актуальные для рассматриваемого свойства, ипроизводитьанализизмененийсоответствующихпараметровпоредкоземельному ряду.Цель и задачи работы.

Целью диссертационной работы являлосьтеоретическое исследование магнитных и магнитоупругих свойств РЗферроборатов RFe3(BO3)4, имеющих тригональную симметрию, в рамкахединого подхода.Задачами работы являлись:· построение теоретического подхода, отражающего иерархию взаимодействий и кристаллическую и магнитную структуру РЗ ферроборатов;· расчет намагниченности, начальной магнитной восприимчивости имагнитострикции вдоль трех кристаллографических направлений вупорядоченной и парамагнитной фазах, а также анализ их аномалий прифазовых переходах;· расчет вклада РЗ подсистемы в теплоемкость, тепловое расширение и3упругие свойства и влияния магнитного поля на особенности этоговклада;· интерпретация имеющихся экспериментальных данных и определениепараметров исследуемых соединений.Научная новизна и защищаемые результаты.

Впервые получены ивыносятся на защиту следующие научные результаты:· теоретический подход, основанный на модели кристаллического полядля РЗ иона и приближении молекулярного поля, пригодный дляописания термодинамических свойств РЗ ферроборатов;· рассчитанные кривые намагничивания и магнитострикции RFe3(BO3)4 сR = Nd, Tb, Dy для трех кристаллографических направлений вупорядоченной и парамагнитной областях;· выявление механизмов и описание фазовых переходов, индуцированныхвнешним магнитным полем вдоль тригональной оси для R = Tb, Dy и вбазисной плоскости для R = Nd; построение В-Т фазовых диаграмм;· рассчитанныетемпературныевосприимчивостиописаниезависимостивдоль треханомалийтипаначальнойкристаллографическихШотткиимагнитнойнаправлений,сопоставлениеихсоспектроскопической информацией;· теоретическое исследование вклада редкоземельной подсистемы втеплоемкость РЗ ферроборатов;· магнитоупругий гамильтониан РЗ кристалла тригональной симметрии вмультипольном приближении;· рассчитанные полевые и температурные зависимости мультипольныхмоментов и деформационных восприимчивостей и анализ возможныханомалий теплового расширения и упругих констант;· успешное сравнение рассчитанных магнитных и магнитоупругиххарактеристиксизвестнымиэкспериментальнымиопределение параметров исследованных соединений.даннымии4Научно-практическоезначениеполученныхрезультатов.Полученные результаты позволяют в едином подходе описать большуюсовокупность особенностей магнитных и магнитоупругих свойств РЗферроборатов.

В рамках развитых в диссертации представлений объясненимеющийсябогатыйэкспериментальныйматериал,рядэффектовпредсказан и впоследствии экспериментально обнаружен. Практическаяценность полученных результатов связана с возможностью эффективногоуправления физическими свойствами f-d соединений с помощью внешнегомагнитного поля, температуры и разнообразных замещений в РЗподсистеме, что особенно важно для решения проблемы создания новыхмагнитных материалов с заданными свойствами.Апробация работы. По теме диссертации сделаны доклады наследующих конференциях и симпозиумах: Moscow International Symposiumon Magnetism (MSU, Moscow, 2005); семинар “Сильно коррелированныеэлектронные системы и квантовые критические явления” (Троицк, 2005);XX Международная юбилейная школа-семинар "Новые магнитныематериалы микроэлектроники" (МГУ, Москва, 2006); III Joint EuropeanMagnetic Symposia (San Sebastian, Spain, 2006); 34е совещание по физикенизких температур (Ростов-на-Дону, 2006); XIII Feofilov symposium onspectroscopy of crystals doped by rare earth and transition metal ions (Irkutsk, 2007); Iмеждународный, междисциплинарный симпозиум “Среды со структурными магнитным упорядочением” (Multiferroics-2007) (Ростов-на-Дону, 2007).Публикации.

По теме диссертационной работы опубликовано 15печатных работ, 1 статья принята и 1 статья послана в печать. Списокпубликаций приведен в конце автореферата.Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пятиглав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на139 страницах машинописного текста и содержит: рисунков - 41,таблиц - 2, список литературы из 115 наименований.5СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обосновывается актуальность направления и объектовисследования, формулируются цели и задачи диссертационной работы.Приводятся основные положения диссертации и дается краткая аннотациярезультатов, изложенных в каждой из последующих глав.Перваяявляетсяглавасистематизированысведениялитературнымизимеющихсяобзором.работ,Внейпосвященныхявлениям, происходящим в РЗ ферроборатах RFe3(BO3)4 с разными РЗионами, которые являются объектами исследования данной работы.Описана кристаллическая структура РЗ ферроборатов, котораяпринадлежит к тригональной симметрии (пространственная группа R32) идля которой характерно наличие ориентированных вдоль тригональной осис октаэдров FeO6, соединенных между собой ребрами.