Диссертация (1097685), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Показанынаправление оси С3, главная ось градиента электрического поля Vzz, направление приложенногополя Н и магнитный момент железа М для разных температур (а) и направлений Н (b) [68].Отметим, что другими авторскими коллективами позднее также были сделаны выводы овыходе магнитных моментов железа в GdFe3(BO3)4 из плоскости ab на угол 53°3° [54] и45° [71]. Недавно с участием авторов работы [68] были представлены новые данныемессбауэровскойспектроскопииирентгеновскогоисследованиянизкотемпературныхструктурных и магнитных свойств GdFe3(BO3)4 [67].
Ниже ТN = 38.0(1) К идентифицированыквазиодномерное упорядочение железных моментов в подрешетке Fe2 и двухмерноеупорядочениевподрешеткеFe1.Авторамидетальноизученадинамикаспиновойпереориентации в двух неэквивалентных позициях ионов железа Fe1 и Fe2. На следующемрисунке 1.9 из данной работы приведена температурная зависимость угла между тригональнойосью с и магнитными моментами железа в двух неэквивалентных позициях.
Также на рисунке1.9 приведена аналогичная зависимость и для моментов Gd, полученная из данных работы [71].Виден сложный характер температурных зависимостей ориентаций магнитных моментов,иллюстрирующий основной вывод об отличии строгой ориентации магнитных моментов отнаправлений вдоль оси с и в плоскости ab при температурах больше и меньше спинпереориентационного перехода ТSR 9 К.23Рисунок 1.9.
Температурная зависимость угла между тригональной осью с и магнитнымимоментами железа в двух неэквивалентных позициях в ферроборате GdFe 3(BO3)4. Светлымикружками показана аналогичная температурная зависимость моментов Gd, полученная изданных работы [71] (рисунок из работы [67]).Мультиферроэлектрические свойства и фазовые переходы в GdFe3(BO3)4 исследованы приизмерениях температурных зависимостей диэлектрической проницаемости ε T в отсутствиеполя и в поле вдоль и перпендикулярно тригональной оси с [72]. В области структурногофазового перехода при ТS = 156 К обнаружено скачкообразное уменьшение ε T припонижении температуры.
Установлено влияние величины и направления внешнего магнитногополя на характер зависимостей ε T в области низких температур, из анализа которого былаполучена информация об индуцированных магнитным полем фазовых переходах и ихтемпературной эволюции.Оптические спектры и генерация второй гармоники в GdFe3(BO3)4 изучены в работе [23].В области слабого поглощения ( 20-400 см-1) ниже 3 эВ выделены три полосы, которыеможно однозначно приписать запрещенным электронным переходам в ионе Fe 3+ с основногосостояния 6А1 на возбужденные состояния 4Т1 ( 1.4 эВ), 4Т2 ( 2 эВ) и 4А1, 4Е ( 2.8 эВ).Интенсивное поглощение начинается в области выше 3 эВ ( 2-4105 см-1), где выделены двеполосы при 4.0 эВ и 4.8 эВ, обусловленные разрешенными электродипольными переходами спереносом заряда. Спектральные особенности генерации второй оптической гармоники вобласти 1.2 - 3.0 эВ авторами объяснены изменением эффективности генерации второйгармоники за счет изменения фазового рассогласования.24Оптические свойства и электронная структура ферроборатов с РЗ ионом Gd3+ исследованыв работе [73].
Проведены измерения и интерпретация спектров оптического поглощениямонокристаллов GdFe3(BO3)4 и GdFe2.1Ga0.9(BO3)4. Предложена многоэлектронная модельзонной структуры GdFe3(BO3)4 с учетом сильных электронных корреляций d-состояний железа.Исследованию системы GdFe3-хGaх(BO3)4 посвящена работа [74], в которой методмессбауэровской спектроскопии позволил наблюдать магнитное сверхтонкое расщеплениелиний в области магнитного упорядочения соединения GdFe3(BO3)4. В работах [75, 76, 77]исследовано влияние высоких давлений на структуру и оптические свойства GdFe3(BO3)4. Изданных по рентгеновской дифракции при давлении 25.6 ГПа обнаружен структурный переходпервого рода с сохранением тригональной симметрии и со скачком объема элементарнойячейки на 8 %.
В [77] обнаружен спиновый электронный переход, индуцированный высокимдавлением в области 45 - 53 ГПа в парамагнитной фазе ферробората гадолиния Gd57Fe3(BO3)4.1.2.2. Магнитные, магнитоэлектрические и магнитоупругие свойства ферроборатовНеобходимо выделить большой цикл работ А.М. Кадомцевой, А.К. Звездина, АА. Мухинас соавторами, который посвящен исследованию магнитных, магнитоэлектрических имагнитоупругих свойств монокристаллов ферроборатов RFe3(BO3)4 (R = Gd [6, 78, 79, 80, 81,82,], Nd [7, 82, 83, 84], Pr [49], Sm [85]). Затем в обзоре [33] и для случая ЛП ферроборатов смалым ионным радиусом в работе [86] авторы систематизировали и представили новыеполученные результаты.
Главный результат данных работ состоит в установлении иобоснованииналичияспонтаннойполяризации,атакжемагнитоэлектрическихимагнитоупругих свойств, коррелирующих между собой, которое позволяет отнести семействоРЗ ферроборатов RFe3(BO3)4 к классу мультиферроиков.Авторами проведены комплексные измерения намагниченности, восприимчивости,магнитострикции и электрической поляризации для направлений поля вдоль тригональной осии в базисной плоскости в широком интервале температур и полей.
Выявлена тесная корреляциямагнитоупругих свойств ферроборатов с магнитоэлектрическими и магнитными аномалиямипри индуцированных магнитным полем фазовых переходах. Построены Н-Т фазовыедиаграммы для индуцированных магнитным полем фазовых переходов. Показано, чтоструктурный переход в ферроборатах сопровождается аномалиями диэлектрических имагнитоэлектрических свойств (рис.
1.10а), которые, по мнению авторов [33], связаны свозникновением неколлинеарного антисегнетоэлектрического упорядочения геликоидальноготипа. Обнаружены аномалии теплового расширения в точке структурного фазового перехода.На основании метода неприводимых представлений кристаллографических группкристалловпроведенанализмагнитоэлектрическихимагнитоупругихсвойствРЗ25ферроборатов. Объяснены эффекты возникновения и исчезновения электрической поляризациипри спонтанных и индуцированных спин-переориентационных переходах в ЛП или ЛОсостояние. Объяснено также различие в полевых зависимостях для продольной Ра(На) ипоперечной Ра(Нb) электрических поляризаций.Рисунок 1.10.
Температурные зависимости диэлектрической проницаемости (а) и тепловогорасширения (б) для ферроборатов Eu, Gd и Tb (рисунок из работы [33]).Проанализированы основные факторы, влияющие на величину магнитоиндуцированнойполяризации в ферроборатах: основное состояние и тип магнитной анизотропии РЗ иона, атакже поле f-d обмена.
Показано, что наибольшие величины магнитоиндуцированнойполяризации должны наблюдаться у ЛП ферроборатов (R = Sm и Nd) (см. рисунок 1.11).В таблице 1.4 приведены известные из литературы максимальные значения индуцированноймагнитным полем электрической поляризации. Для сравнения в таблице 1.4 приведены такжезначения гигантской поляризации и в изоструктурных алюмоборатах.
Значительное количество26полученных данным авторским коллективом результатов и экспериментальных данныхобсуждается и описано в диссертации при рассмотрении свойств конкретных ферроборатов.Рисунок 1.11. Температурные зависимости поляризации вдоль оси а для легкоплоскостныхферроборатов R = Sm, Nd, Eu, Ho. На вставке приведены зависимости для ферроборатов с R =Er, Gd в сравнении с ферроборатом иттрия (рисунок из работы [33]).Для проведения исследования влияния разных РЗ ионов на магнитоэлектрические имагнитоупругие свойства ферроборатов необходимо уметь отделять вклад РЗ подсистемы отфона, создаваемого подсистемой ионов железа.
В ферроборате YFe3(BO3)4 при переориентацииантиферромагнитного вектора L под действием магнитного поля изменяется соотношениемежду компонентами антиферромагнитного вектора в плоскости, и должны наблюдатьсякоррелированные между собой аномалии в магнитоэлектрических и магнитоупругихзависимостях, что подтверждается экспериментально (см. рисунок 1.12) [33]. Видно, что вкладFe-подсистемы в поляризацию и магнитострикцию может оказать некоторое влияние тольковблизи поля переориентации вектора L. При этом на фоне обнаруженных значенийполяризации и магнитострикции для ферроборатов RFe3(BO3)4 скачки в YFe3(BO3)4малы 3 мкКл/м2 (рис. 1.12а) и 210-6 (рис.
1.12б) при Т = 4.2 К.27Рисунок 1.12. Полевые зависимости поляризации (а) и магнитострикции (б) для ферроборатаYFe3(BO3)4, измеренные вдоль оси а кристалла при различных температурах (рисунок изработы [33]).В серии работ [87, 88, 89] А.И. Попов и А.К. Звездин с соавторами представили квантовуютеорию магнитоэлектричества в ферроборатах. Показано, что электрическая поляризация вферроборатах реализуется посредством двух одноионных механизмов: эффективное магнитноеи КП индуцируют электрический дипольный момент в 4f-оболочке РЗ ионов (электрическийвклад) и смещение противоположно заряженных ионных подрешеток (ионный вклад).Полагая, что РЗ ион находится под влиянием магнитного и внешнего электрическогополей, в работах [87, 88, 89] выписан актуальный гамильтониан возмущения. С помощьюгенеалогической схемы составления волновых функций и квантовой теории углового момента[90] было выписано выражение для магнитоэлектрического гамильтониана РЗ ферроборатов.Затем, используя выписанное выражение для магнитоэлектрического вклада в свободнуюэнергию кристалла, авторами получено выражение, позволяющее анализировать полевую итемпературную зависимости компонент поляризации в РЗ ферроборатах.28В работе [91] в парамагнитном состоянии измерены скорости звука в монокристаллахферроборатов NdFe3(BO3)4 и SmFe3(BO3)4 для репрезентативного набора направлений,достаточного для восстановления элементов тензоров упругих и пьезоэлектрических модулей.По мнению авторов, упругая система данных ферроборатов характеризуется повышеннойжесткостью в базовой плоскости по отношению к деформациям растяжения–сжатия.Интенсивность пьезоэлектрических взаимодействий достаточно высокая, пьезоэлектрическиемодули на порядок превышают соответствующие величины для α-кварцаВ группе А.А.
Мухина с соавторами в работах [92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99] былопроведено экспериментальное и теоретическое исследование магнитных, субмиллиметровых(диэлектрических и магниторезонансных) и пьезоэлектрических свойств ряда РЗ ферроборатов.Показано, что одним из наиболее привлекательных с точки зрения возможности наблюденияярко выраженных динамических магнитоэлектрических эффектов является ЛП ферроборатSmFe3(BO3)4, в котором был обнаружен гигантский магнитодиэлектрический эффект начастотах до 1 МГц, связанный с возрастанием ( 300 %) диэлектрической проницаемости припонижении температуры до 4.2 К и сильным влиянием на него магнитного поля [92].
В [98] напримере SmFe3(BO3)4 в диапазоне 40-150 ГГц обнаружено электроактивное спиновоевозбуждение (электромагнон), которое вносит основной вклад в гигантский статический(квазистатический) магнитодиэлектрический эффект и определяет два типа динамическихмагнитоэлектрических эффектов (гигантскую оптическую активность и дирекционноедвупреломление и дихроизм). Авторами развита теория, которая объясняет обнаруженныединамические магнитоэлектрические явления с учетом различной симметрии тензоровмагнитной, магнитоэлектрической и диэлектрической восприимчивостей для H||a и H||b ипозволяет их количественно описать.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
