Диссертация (1091021), страница 4
Текст из файла (страница 4)
На основаниисимметрийных соображений можно заключить, что мультиферроики, являющиеся ферромагнетиками и сегнетоэлектриками (ферромагнитными сегнетоэлектриками), являются и магнитоэлектриками [1 - 5]. Линейные магнитоэлектрики не20Рисунок 1.1. Соотношение между мультиферроидными и магнитоэлектрическими материалами [2].обязательно являются мультиферроиками, они характеризуются магнитнымупорядочением, однако не всегда проявляют спонтанные намагниченность иэлектрическую поляризации. Например, Cr2O3 является магнитоэлектриком, ноне мультиферроиком.
Справедливо и обратное утверждение: линейный МЭ эффект разрешён симметрией не для всех мультиферроиков (магнитных сегнетоэлектриков). Так, YMnO3 является мультиферроиком, то есть антиферромагнетиком и сегнетоэлектриком, МЭ эффект в нем запрещён симметрией этого соединения. Многие, но не все, сегнетомагнетики проявляют линейный МЭ эффект, не все магнитоэлектрики являются сегнетомагнетиками.1.2.2. Особенности физических свойств сегнетоферромагнитныхмультиферроиковЭтим материалам присущи как свойства, характерные для каждого изклассов в отдельности (спонтанная намагниченность, магнитострикция, спонтанная поляризация и пьезоэлектрический эффект), так и новые свойства, связанные с взаимодействием магнитной и электрической подсистем.
Взаимодействие электрической и магнитной подсистем в мультиферроиках может проявляться в виде целого ряда эффектов. Наибольший интерес среди них представляют:1). Зависимости диэлектрической поляризации от магнитного поля инамагниченности от электрического поля.212). Эффект МЭ контроля: переключения спонтанной поляризации магнитным полем и спонтанной намагниченности электрическим полем.3). Зависимость величины диэлектрической проницаемости от магнитногополя (эффект магнитоёмкости или магнитодиэлектрический эффект).Под магнитоёмкостью понимается при этом относительное изменениедиэлектрической проницаемости в магнитном поле:MC(H) = [(H)-(0)]/(0) = (H)/(0),(1.1)где (H) и ε(0) – диэлектрическая проницаемость материала в магнитном поле H и в отсутствие поля соответственно.4). Аномалии на температурной зависимости диэлектрической проницаемости при температурах магнитных фазовых переходов.Благодаря сочетанию особых магнитных и диэлектрических свойств, атакже и взаимосвязи между этими свойствами, мультиферроики имеют огромный потенциал для применений в электронной технике и в то же времяони являются весьма перспективными объектами для развития фундаментальных научных проблем физики конденсированного состояния и физического материаловедения.
Отмеченная комбинация прикладных и фундаментальных научных исследований мультиферроиков ответственны за большойинтерес, который эти материалы вызывают в последние годы.1.2.3. Классификация мультиферроиковС одной стороны, микроскопическая причина возникновения магнитногоупорядочения для всех магнетиков в основном одна и та же: обменное взаимодействие локализованных электронов, главным образом, в частично заполненныхd или f оболочках переходных металлов или редкоземельных ионов.
С другой стороны, имеются различные микроскопические механизмы возникновения сегнетоэлектричества. По механизмам, индуцирующим в мультиферроиках сегнетоэлектричество, выделяют две их основные группы [1 - 5, 22, 23].1. К мультиферроикам первого (I) типа относят вещества, в которых при-22чины возникновения сегнетоэлектричества и магнитного упорядочения разные.В них сегнетоэлектрическое и магнитное упорядочения возникают в значительной мере независимо друг от друга, хотя имеется некоторая связь между ними.
Вэтих веществах выделяют два параметра порядка в упорядоченных состоянияхдля существенно различных коллективных эффектов, температуры магнитного исегнетоэлектрического упорядочения сильно различаются, сегнетоэлектричествовозникает обычно при более высоких температурах, чем магнетизм, а спонтаннаяполяризация Ps часто имеет высокие значения (порядка 10-100 мкКл/см2).2. К мультиферроикам второго (II) типа относят вещества, в которых сегнетоэлектричество возникает как вторичный эффект, который связан с другойформой упорядочения, такой как магнитное или зарядовое упорядочение. Поэтому эти системы часто называют «несобственными мультиферроиками».Соответственно, вещества, относящиеся к первому классу, называют«собственными магнитными сегнетоэлектриками» (или «собственнымимультиферроиками») [1 - 5, 22 - 24].Сравнивая собственные и несобственные мультиферроики можно отметить, что сегнетоэлектричество в несобственных мультиферроиках управляется«корреляционными» эффектами, связанными с упорядочением спинов или зарядов, в отличие от обычных сегнетоэлектриков, в которых важную роль играетковалентность химических связей.
В сегнетомагнетиках, в которых поляризация магнитно индуцирована, следует ожидать сильной связи между магнитными и сегнетоэлектрическими свойствами, так как оба и дипольное и магнитноеупорядочения имеют один и тот же механизм происхождения и возникают приодной и той же температуре. Мультиферроики II типа характеризуются обычнонизкими значениями величины поляризации, однако они очень чувствительнык внешним магнитным полям и часто проявляют высокий МЭ эффект.1.2.4. Мультиферроики II типа (несобственные)Классификация несобственных мультиферроиков. На рис. 1.2 схе-23Рисунок 1.2. Схематичное представление классификации несобственных мультиферроиков на основе различия механизмов, вызывающихсегнетоэлектричество (левая сторона) и примеры соответствующих соединений (правая сторона) [24].матично показана классификация несобственных мультиферроиков на основеразличия механизмов, индуцирующих сегнетоэлектричество [24].
Все несобственные мультиферроики делятся на два основных класса: те, в которыхсегнетоэлектричество вызвано упорядочением спинов (то есть в которыхмагнитное упорядочение разрушает инверсионную симметрию - ИС) и те, вкоторых ИС разрушается зарядовым упорядочением (то есть, в которых перераспределение зарядов приводит к нецентросимметричной конфигурации).В свою очередь, магнитноиндуцированные сегнетоэлектрики делятся на дваподкласса: те, у которых сегнетоэлектричество вызвано особым типом неколлинеарной магнитной спирали и те, у которых сегнетоэлектричество возникает даже для коллинеарной магнитной структуры.Мультиферроики II типа с неколлинеарной магнитной структурой(мультиферроики спирального типа). Мультиферроики этого типа сталипопулярными объектами исследований после открытия в 2003 Kimura и др.[25, 26] сегнетоэлектричества в ромбических кристаллах TbMnO3, индуци-24руемого неколлинеарной спиральной спиновой структурой (NSSO) на подрешётке Mn.
Поляризация и диэлектрическая проницаемость в них весьма чувствительны к внешнему магнитному полю. В TbMnO3 поляризация может поворачиваться на 90о (опрокидывание поляризации), приложенным в определённом направлении внешним магнитным полем, которое также вызываетбольшой магнитодиэлектрический эффект.В результате изучения фаз, в которых имеет место переход в NSSO, в последнее десятилетие было выявлено множество новых мультиферроиков II типас различными типами кристаллических структур, таких как LiCuVO4, Ni3V2O8,ACrO2, A=Li, Na, Ag, Cu, CuFeO2, CoCr2O4, LiCu2O2, MnWO4, Ba0,5Sr1,5Zn2Fe12O22, Sr3Co2Fe24O41, CuO и др. [1 - 6, 8, 22 - 26].Характерной особенностью, общей для этого типа мультиферроиков, является наличие конкурирующих обменных взаимодействий, вызывающих фрустрацию спинов (невозможность одновременного расположения спинов в ихнизших энергетических конфигурациях).
В результате в них происходят переходы в магнитные фазы со сложным неколлинеарным спиновым порядком (вбольшинстве случаев циклоидальным NSSO), нарушающим инверсионнуюсимметрию (ИС) и сопутствующим образом индуцирующим сегнетоэлектричество. Таким образом, мультиферроики II типа обычно относятся к фрустрированным магнетикам со спиральной магнитной структурой.Сильная взаимосвязь фрустрированного магнетизма и электрической поляризации в подобных кристаллах вызывает большой интерес, группа сегнетоэлектрических магнетиков со спиральной спиновой структурой составляетгруппу наиболее популярного класса мультиферроиков в настоящее время. Этакатегория содержит наиболее перспективные кандидаты мультиферроидныхвеществ для практических использований, так как поляризация в них чрезвычайно чувствительна к магнитному полю.
Среди спиральных магнетиков самуювысокую МЭ связь проявляет DyMnO3: его диэлектрическая постоянная можетбыть увеличена на 600% приложением магнитного поля [26].25Недостатками этих мультиферроиков в отношении практических применений являются: 1) индуцированная поляризация (~0,08 мКл/см2) мала посравнению, например, с Ps титаната бария (30 мкКл/см2); 2) из-за фрустрированного магнетизма температуры магнитного упорядочения обычно низки.Мультиферроики II типа с коллинеарной магнитной структурой.
Ковторой группе мультиферроиков типа II относят те, в которых сегнетоэлектричество возникает в коллинеарной магнитной структуре – то есть все магнитныемоменты направлены вдоль выделенной оси, без необходимости вовлеченияспин-орбитального взаимодействия.Механизм возникновения сегнетоэлектричества в этом классе вовлекаеткомбинацию упорядочения зарядов (charge-ordered - CO) и упорядочения спиновв изинговской цепи типа ↑↑↓↓ [1 - 5, 22, 27].
Если после зарядового упорядоченияобе позиции и связи окажутся неэквивалентными, это может привести к сегнетоэлектричеству. При этом сегнетоэлектричество индуцируется через обменнуюстрикцию, связанную с конкуренцией между ФМ обменными взаимодействиямиближайших соседей (NN) и АФМ суперобменными взаимодействиями следующих за ближайшими соседями (NNN). Симметрия инверсии нарушается тем, чторасстояния между катионами с параллельными спинами короче, чем между катионами с антипараллельными спинами, и в цепи возникает результирующая поляризация. Подобная ситуация часто наблюдается в соединениях переходныхметаллов, особенно содержащих ионы переходных металлов в разных валентныхсостояниях.
Представителями этой группы мультиферроиков являются соединения RMnO3 со структурой перовскита с редкоземельным элементом R малогоразмера, RMn2O5, Ca3CoMnO6.1.2.5. Магнитоэлектрики со структурой шпинелиСемейство соединений со структурой минерала шпинели [28 - 31].Название «шпинель» происходит от названия природного минерала MgAl2O4.Он кристаллизуется в кубической системе (пр. гр. Fd3m, параметр элементар-26ной ячейки aC=8,1 Å) с образованием хорошо огранённых кристаллов октаэдрического габитуса.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
