Диссертация (1097685), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Например, в [65]исследованымонокристаллыRFe3(BO3)4(R=LaилиNd)методамирамановскойспектроскопии. Исследования рентгенографическими методами ферробората GdFe3(BO3)4показали, что симметрия кристалла остается тригональной и ниже TS = 156 К, толькопонижается от R32 до P3121 [66]. Данное изменение симметрии подтвердилось недавно дляGdFe3(BO3)4 и было обнаружено для TbFe3(BO3)4 при исследовании инфракрасных спектровотражения в широком температурном интервале [53].ГлавнымэлементомкристаллическойструктурыборатовRM3(BO3)4являютсянаправленные вдоль тригональной оси с спиральные цепочки соединенных по ребру октаэдровMO6, в центре которых находится М-ион (см.
рисунки 1.1 и 1.2 для М = Fe). Три такие цепочкисвязаны между собой треугольными призмами RO6, а равносторонние треугольниками BO3объединяют цепочки в единую трехмерную структуру.Рисунок 1.1. Вид кристаллической структуры РисунокRFe3(BO3)4изработы[55].1.2.Спиральные структурыцепочки, образованные октаэдрами FeO6 вдоль работы [67].оси с (направления ближайшего обмена Fe-OFe), показаны цепочками затененных площадок.СхемаферроборатакристаллическойGdFe3(BO3)4из17В высокотемпературной фазе R32 октаэдры FeO6 в базисной плоскости находятся ввершинах равностороннего треугольника и все ионы железа находятся в эквивалентныхпозициях. В низкотемпературной фазе P3121 одна из цепочек смещается вдоль оси сотносительно двух других цепочек и появляются два неэквивалентных положения железа вэлементарной ячейке [32].РЗ ионы занимают один тип позиций с D3-симметрией и находятся в центре тригональнойпризмы из шести ионов кислорода.
Треугольники, образованные ионами кислорода в соседнихплоскостях, закручены на некоторый угол. В результате этого искажения D3h-симметрияидеальной призмы понижается до D3. При структурном фазовом переходе локальная симметриядля РЗ иона понижается от D3 (при T > ТS) до C2 (при T < ТS) [66, 53].Расстояния между ионами железа, принадлежащими одной цепочке, существенно меньшерасстояния между ионами железа из соседних цепочек. Обменное взаимодействие в одной итой же цепочке Fe-Fe определяется прямым обменом Fe-Fe и косвенным обменом Fe-O-Fe.Между цепочками обменное взаимодействие, по-видимому, реализуется по пути Fe-O-O-Fe иFe-O-R-O-Fe. На следующем рисунке 1.3 из работы [66] приведены данные связи на примереферробората GdFe3(BO3)4.Рисунок 1.3.
Две цепочки Fe и наиболее значимые обменные пути: внутрицепочечный обменчерез прямой обмен Fe-Fe или косвенный обмен Fe-O-Fe и межцепочечное обменноевзаимодействие через пути Fe-O-Gd-O-Fe и Fe-O-O-Fe (рисунок из работ [66, 53]).18§1.2. Редкоземельные бораты с двумя магнитными подсистемамиПрямой обмен Fe–Fe в системе ферроборатов RFe3(BO3)4 доминирует и намногопревышает косвенный обмен между ионами РЗ элементов, осуществляющийся по пути R–O–B–O–R [66], что подтверждается близостью температур Нееля для ферроборатов с разным типомредкой земли. По мнению авторов обзора [33], это дает основания полагать, что РЗ ионыиспытывают в основном действие обменного поля Fe-подсистемы и внешнего магнитного поля,индуцирующих магнитный порядок в РЗ подсистеме, что подтверждается данными измеренийнамагниченностиитемпературныхзависимостеймагнитнойвосприимчивостидляферроборатов (см., например, [68, 69, 33]).
Возникновение порядка в РЗ подсистеме нижетемпературы Нееля, обнаруженное в ферроборатах Tb [56] и Ho [61], носит индуцированныйхарактер и вызвано полем f–d-обмена порядка десятков килоэрстед, действующим в подсистемеR со стороны ионов железа.1.2.1. Ферроборат GdFe3(BO3)4.
Фазовые переходы, магнитные свойства, АФМP, эффектМессбауэра. Оптические свойства и электронная структура. Исследования поддавлениемПрисутствие двух связанных f–d-взаимодействием магнитных подсистем в ферроборатахRFe3(BO3)4 делает данные соединения хорошими кандидатами для обнаружения сложногомагнитного поведения, которое было обнаружено в GdFe3(BO3)4 и широко обсуждалось.Первые результаты магнитных измерений на монокристаллах GdFe3(BO3)4 былиобъяснены в предположении, что Fe- и Gd-подсистемы упорядочиваются антиферромагнитнопри ТN = 40 К [26].
По мнению авторов, ниже 10 К полный магнитный момент трех железныхподрешеток, ориентированных под полярными углами 60 к оси с, компенсируется моментомгадолиния, ориентированным вдоль оси с. Обнаруженные на кривой намагничивания вмагнитном поле H||c при T < 10 К резкие особенности были объяснены спин-флоп-переходом вFe-подсистеме (см. рисунок 1.4). Далее предполагалось, что в интервале температур от 10 до40 К магнитные моменты каждой Fe-подрешетки переориентируются в аb-плоскость сохраняя120-ти градусную азимутальную ориентацию.Затемданнаямодельбылапересмотрена[27]иосновываясьнаанализеспектроскопических данных с использованием метода неодимового зонда и данных потеплоемкости было сделано утверждение, что Gd-подсистема не претерпевает магнитногофазового перехода при ТN, а становится поляризованной железной подсистемой.
ПриТN 37 К магнитные моменты Fe упорядочиваются антиферромагнитно в направлении,перпендикулярном оси с, и начинают подмагничивать Gd-подсистему. Ниже ТR = 9 К19магнитные моменты железа упорядочены антиферромагнитно вдоль с оси. ТемператураТR = 9 К соответствует спин-переориентационному магнитному фазовому переходу первогорода. Аналогичные выводы были сделаны и авторами работы [70], в которой магнитныеструктуры и магнитные фазовые переходы в ферроборате GdFe3(BO3)4 изучались вэкспериментах по антиферромагнитному резонансу (АФМP).Рисунок 1.4.
Кривые намагничивания GdFe3(BO3)4 при H||c и Hc (рисунок из работы [26]).Авторам работы [70] удалось предложить детальную картину магнитной структуры ианизотропию разных магнитных фаз GdFe3(BO3)4 как функций температуры и внешнегомагнитного поля. При ТN 38 К железная магнитная подсистема упорядочивается вдвухподрешеточную коллинеарную ЛП антиферромагнитную структуру и поляризует спиныGd, которые тоже образовывают двухподрешеточную антиферромагнитную подсистему.Константа анизотропии Gd-подсистемы имеет знак, противоположный по сравнению сконстантой анизотропии Fe-подсистемы. Вклад Gd-подсистемы в полную энергию анизотропиирастет с уменьшением температуры в соответствии с растущей поляризацией Gd-подсистемы истановится существенным, начиная с Т 20 К.
При температуре ТSR = 10 К полная энергияанизотропии меняет знак, что приводит к спонтанной спиновой переориентации в ЛОсостояние, магнитная структура которого показана на рисунке 1.5. Также в работе [70] нижетемпературы ТSR = 10 К обнаружены индуцированные магнитным полем фазовые переходы20между ЛО и ЛП состояниями. Построены фазовые T-Н диаграммы. В рамках модели,учитывающей антиферромагнитные обменные взаимодействия внутри Fe-подсистемы и междуFe- и Gd-подсистемами, а также энергии анизотропии обеих подсистем и зеемановскуюэнергию, вычислены критические поля спин-переориентационных переходов и найденыусловия реализации ЛО и ЛП состояний и угловой фазы.Рисунок 1.5.
Магнитная структура низкотемпературной фазы (T < TSR) GdFe3(BO3)4 (рисунок изработы [70]).Каскад фазовых переходов в ферроборате GdFe3(BO3)4 впервые был обнаружен авторамиработы [27] при измерении теплоемкости. Были зафиксированы переходы при Т = 9, 37 и 156 К(см. рисунок 1.6).Рисунок 1.6. Температурная зависимость теплоемкости GdFe3(BO3)4 (рисунок из работы [27]).21Затем эти переходы были изучены с помощью рамановского рассеяния и наблюдения спектровпоглощения для иона Nd3+, внедренного в качестве зонда в GdFe3(BO3)4.
Показано, что переходпри температуре Т = 37 К является фазовым переходом магнитного упорядочения второго рода,а два других являются переходами первого рода. Появление при Т = 156 К новых рамановскихмод свидетельствует об изменении кристаллической структуры до менее симметричной. Изрисунка 1.7 видно, что спектры Nd3+ зонда показывают спиновую переориентацию вблизи 9 К.Рисунок 1.7.
Температурные зависимости расщепления линий и относительных интенсивностейвысокочастотных компонент для зонда Nd3+ в GdFe3(BO3)4 (рисунок из работы [27]).МагнитныесвойстваGdFe3(BO3)4былиисследованы57Fe–мессбауэровскойспектроскопией, измерениями намагниченности и восприимчивости [68]. Фазовая Н-Тдиаграмма,полученнаяавторамиизмагнитныхизмерений,хорошосогласуетсяссоответствующими диаграммами, полученными в работах по антиферромагнитному резонансу(АФМР) [70] и измерениям электрической поляризации и магнитострикции [6].
Данныемессбауэровской спектроскопии показали наличие спин-переориентационного перехода ипозволили получить новую информацию о направлениях магнитных моментов Fe для разныхдиапазонов температур и полей. При T = 4.2 К GdFe3(BO3)4 является однооснымскомпенсированным антиферромагнетиком, при этом магнитный момент железа отклонен отоси с на угол 20 (см. рисунок 1.8). Сделано предположение, что и в ЛП фазе магнитныемоменты железа не лежат в базисной плоскости, а выходят из нее, например, приТ = 20 К угол отклонения составляет 18.
По мнению авторов [68], магнитная структураGdFe3(BO3)4являетсяболеесложной,чемэтобылоустановленовработе[70].22Большие величины углов между осью с и магнитными моментами Fe в ЛО фазе и между осьювторого порядка в базисной плоскости и моментами Fe в ЛП фазе свидетельствуют о том, чтоструктура является неколлинеарной антиферромагнитной. Причиной данной неколлинеарностиявляется конкуренция вкладов в магнитную анизотропию от Fe- и Gd-подсистем. Понижениесимметрии при структурном переходе при ТS = 156 К и ниже ТN = 38 К является еще однимвкладом в отклонение магнитных моментов от кристаллографических осей.Рисунок 1.8. Эффекты переориентации магнитных моментов железа в GdFe3(BO3)4.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
