Диссертация (1097685), страница 66

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 66)

Однако анализ экспериментальных зависимостей тепловогорасширения позволяет по низкотемпературным участкам (T < 100 K) оценить коэффициентыАа и Вс: Аа = 3.4510-3, Вс = 5.310-3. Таким образом, данные по тепловому расширению могутслужить ориентиром при поиске значений магнитоупругих коэффициентов и упругих констант.§8.3. TmAl2.5Sc0.5(BO3)48.3.1. Низкотемпературные аномалии теплового расширенияЭкспериментальное исследование теплового расширения в алюмоборате TmAl3(BO3)4[194] позволило обнаружить немонотонную зависимость длины кристалла вдоль с-оси сминимумом вблизи 50 К и отрицательное расширение при низких температурах. Посколькуиспользуемыйтеоретическийподходпозволилописатьданныеаномалиитепловогорасширения в TmAl3(BO3)4 (см. пункт 8.2.2), представляется интересным провести аналогичныйрасчетдлязамещенногоалюмо-скандоборатаTmAl2.5Sc0.5(BO3)4ипредсказатьпоканеисследованные экспериментально эффекты.На рисунке 8.9 приведены температурные зависимости изменения полносимметричныхмультипольных моментов – αJ O20 , – βJ O40и существенно меньшего момента – βJ Ω43скоэффициентом 5 для иона Tm3+ в TmAl2.5Sc0.5(BO3)4 (сплошные кривые, параметры КП (7.6)) идля сравнения в TmAl3(BO3)4 (штриховые кривые).

Видно, что рассчитанные температурныезависимости всех моментов для иона Tm3+ в TmAl2.5Sc0.5(BO3)4 демонстрируют более сильныеизменения с температурой, чем в алюмоборате TmAl3(BO3)4. Вблизи Т = 25 К для двух наиболеесильно меняющихся моментов αJO02 T O20T=300Kи – βJO04 T O40T=300Kимеет местоминимум и максимум соответственно. Затем с понижением температуры происходит с разнойскоростьюихотличающеесяизменение.Данноенизкотемпературноеповедениеполносимметричных моментов позволяет предсказать наличие аномалий теплового расширенияв TmAl2.5Sc0.5(BO3)4 более ярко выраженных, чем обнаружено в TmAl3(BO3)4 [194].Мультипольные моменты, 10-23325203-532-1011-15050100150T, K200250300Рисунок 8.9. Температурные зависимости полносимметричных мультипольных моментов ионаTm3+ в TmAl2.5Sc0.5(BO3)4 (сплошные кривые) и в TmAl3(BO3)4 (штриховые кривые):αJO02 T O20T=300K (1), – β  OJ04 T O40T=300K (2) и –5  β  ΩJ34 T Ω43T=300K (3).§8.4.

Параметры кристаллического поля для R-ионов в алюмоборатах RAl3(BO3)4В таблице 8.1 приведены параметры КП для РЗ ионов в исследованных алюмоборатахRAl3(BO3)4 с которыми были рассчитаны магнитные и магнитоупругие характеристики. Также вданной таблице для сравнения приведены известные из литературы параметры КП.Таблица 8.1. Параметры кристаллического поля (в см-1) для РЗ ионов в исследованныхалюмоборатах RAl3(BO3)4.СоединениеВ02В04В34В06В36В66СсылкаY0.65Nd0.35Al3(BO3)4450667491566413561540539530–1516–1600–1150–1470–1338–938–1035–1340–1297–940–350–797–260–248–475–632566–632537953273710540131128214–254–405–62–390–462–137–923–97–412–671–162–527–477575123104–175[181]HoAl3(BO3)4Ho0.8Nd0.2Al3(BO3)4Ho0.5Nd0.5Al3(BO3)4TmAl3(BO3)4ErAl3(BO3)4[170][280][286][180]333ЗАКЛЮЧЕНИЕГлавный результат диссертации заключается в расчете магнитных, магнитоупругих испектроскопических характеристик соединений с 4f- и 3d-ионами чистых, замещенных иразбавленных составов в рамках единого подхода, основанного на модели КП для РЗ иона иприближении молекулярного поля.

На основе полученных результатов расчетов проведенаколичественная интерпретация большого массива экспериментальных данных и определеныактуальные параметры исследованных соединений.Впервые проведенный расчет широкого спектра характеристик РЗ боратов RM3(BO3)4(М = Al, Cr, Fe, Ga) (намагниченности, магнитной восприимчивости, магнитострикции,РЗ вклада в теплоемкость и тепловое расширение, электронной структуры основногомультиплета РЗ ионов и др.) позволил сделать следующие основные выводы:1.Примененныйвработетеоретическийподходпозволяетрассчитыватьтермодинамические характеристики РЗ боратов RM3(BO3)4 чистых, замещенных и разбавленныхсоставов с любыми редкими землями, поскольку учитывает иерархию взаимодействий иэлектронную структуру (энергетический спектр и волновые функции) РЗ иона.2.КоличественнаямагнитоупругихиинтерпретацияспектроскопическихэкспериментальныххарактеристикданныхборатовдляRM3(BO3)4магнитных,позволилаопределить актуальные параметры соединений: параметры КП; значения обменных Fe-Fe иR-Fe полей; низкотемпературное расщепление основного состояния РЗ иона вследствиеf–d-взаимодействия; значения энергий штарковских уровней основного мультиплета РЗ иона;компоненты g-тензора основного состояния РЗ иона; константы анизотропии Fe-подсистемы;парамагнитную температуру Нееля для Fe-подсистемы; коэффициенты, определяющиемагнитострикцию, аномалии теплового расширения и позволяющие воспроизвести полевую итемпературную зависимости магнитоэлектрической поляризации и др.3.За магнитную анизотропию РЗ ферроборатов ответственно кристаллическое поле,действующее на РЗ подсистему.4.Продемонстрировано,чторассмотрениеРЗподсистемыкакпарамагнитной,находящейся в кристаллическом поле тригональной симметрии и испытывающей влияниеFe-подсистемы вследствие f–d-взаимодействия и действие внешнего магнитного поля, даетвозможность идентифицировать фазовые переходы в поле B||с в ЛО ферроборатахTbFe3(BO3)4, DyFe3(BO3)4, PrFe3(BO3)4 и HoFe3(BO3)4 как спин-флоп-переходы в Feподсистеме, сопровождаемые переориентацией магнитного момента РЗ подсистемы вдольнаправления поля.5.В ЛП ферроборатах при намагничивании в базисной плоскости в полях, меньшихпримерно 1.5 Тл, обязателен учет доменной структуры.

При Вa  0.3-1 Тл спин-флоп-переход в334одном из трех возможных доменов, являющихся следствием тригональной симметрии,обусловливает нелинейный вид кривых намагничивания, характерный для фазового переходапервого рода, размытого в условиях реальной доменной структуры.спонтанныйииндуцированныйпереориентационныепереходывHoFe3(BO3)4.переориентационныйпереход6.ОписаныявляетсямагнитнымПоказано,магнитнымчтоаналогомполемB||aспин-спонтанныйспин-эффектаЯна-Теллера.Установлено, что количественное описание широкой совокупности низкотемпературныхтермодинамических свойств HoFe3(BO3)4 возможно только при учете локальной симметрии С2окружения иона Ho3+.7.Учет анизотропного обменного Sm-Fe взаимодействия позволяет хорошо описатьобнаруженную на эксперименте анизотропию кривых намагничивания SmFe3(BO3)4.8.Обнаруженные аномалии Шоттки на температурных зависимостях теплоемкостиобусловлены вкладом РЗ подсистемы, изменение которого в магнитном поле приводит кпредсказанному или в соответствии с экспериментом сдвигу аномалии по температуре.9.В РЗ хромоборатах интерпретированные (в случае NdCr3(BO3)4) и предсказанныеаномалии магнитных свойств близки к обнаруженным для ферроборатов.10.

Квадрупольного приближения достаточно для описания характера поведения полевыхзависимостей магнитострикции ферроборатов с R = Pr, Tb и Dy при разных температурах.Для ферроборатов с R = Sm, Nd, Ho и Er необходим учет моментов больших порядков.11. Скачки мультипольных моментов РЗ ионов в ферроборатах с R = Pr, Nd, Sm, Tb, Dy,Ho и Er при спин-флоп-переходе в поле вдоль тригональной оси и в базисной плоскости водном из трех возможных доменов обусловливают обнаруженные величины скачковмагнитострикции.Подборкоэффициентоввлинейныхкомбинацияхнаибольшихмультипольных моментов для РЗ ионов, спектр и волновые функции которых формируютсякристаллическим полем тригональной симметрии и взаимодействием с железной подсистемой ,позволяетколичественноописатьхарактерполевойитемпературнойзависимостеймагнитострикции.12.

Показано,чтонаблюдаемоенаэкспериментеизменениезнакапродольноймагнитострикции в HoFe3(BO3)4 и NdFe3(BO3)4 обусловлено изменением знака наибольшихмультипольных моментов ионов Но3+ и Nd3+, описывающих конфигурацию электронногооблака РЗ иона. Предсказано изменение знака продольной магнитострикции ErFe3(BO3)4 в полеB||a вблизи 1.4 Тл.13. Низкотемпературные аномалии теплового расширения, обусловленные изменением4f электронной оболочки РЗ иона с понижением температуры, значительны и воспроизводят335обнаруженные особенности для TmAl3(BO3)4 и HoFe3(BO3)4 и возможны для наблюдения вHoAl3(BO3)4 и TmAl2.5Sc0.5(BO3)4.14. Диамагнитное разбавление РЗ подсистемы ЛО ферроборатов RxY1-xFe3(BO3)4 (R = Pr,Tb и Dy) приводит к переходу от ЛО структуры к ЛП структуре.

Трансформация магнитнойструктуры обусловлена уменьшением ЛО вклада РЗ подсистемы в магнитную анизотропию приее диамагнитном разбавлении иттрием и в случае PrxY1-xFe3(BO3)4 происходит черезобразование угловой магнитной структуры при промежуточных значениях диамагнитногозамещения.ДляDyxY1-xFe3(BO3)4реализацияинаблюдениеспонтанногоспин-переориентационного перехода возможны, для TbxY1-xFe3(BO3)4 из-за необходимости сильногоразбавления тербиевой подсистемы возможный эффект будет невыразителен.15. Врезультатеконкуренцииразличныхвкладоввмагнитнуюанизотропиюразбавленного ферробората PrxY1-xFe3(BO3)4 реализуется угловая фаза, которая является новым(помимо легкоосного и легкоплоскостного) возможным состоянием магнитной подсистемы всемействе боратов с двумя магнитными подсистемами.

Единый теоретический подход позволилописать весь имеющийся богатый экспериментальный материал магнитных характеристиксемейства PrxY1-xFe3(BO3)4 (x = 1, 0.75, 0.67, 0.55, 0.45 и 0.25). Описаны впервые измеренныедля ферроборатов температурные зависимости отклонения магнитных моментов железа оттригональнойосис.ОпределеныконстантыанизотропииFe-подсистемы.Описаныобнаруженные спин-переориентационные переходы, реализующиеся при изменении кактемпературы, так и величины магнитного поля B||c.16. Предложенный возможный вариант процессов намагничивания Nd1-xDyxFe3(BO3)4(x = 0.05, 0.1, 0.15, 0.25 и 0.4) в слабых магнитных полях с реализацией угловой магнитнойструктуры позволил в деталях проанализировать поведение магнитных моментов РЗ иFe-подсистем и описать аномалии на низкотемпературных кривых намагничивания прифазовых переходах от начальной во флоп-фазу.17. Для объяснения необычных ступенчатых аномалий на кривых намагничивания Mс(В)некоторых составов ферроборатов Nd1-xDyxFe3(BO3)4 и PrxY1-xFe3(BO3)4 было сделанопредположение о возможном формировании устойчивой в небольшом интервале полейпромежуточной угловой фазы, в которой вектор антиферромагнетизма принимает болееблизкое к базисной плоскости положение, чем в начальном состоянии.

В результате для всехисследованных концентраций удалось получить согласие теории и эксперимента для всейсовокупности характеристик.18. Для Sm0.7Ho0.3Fe3(BO3)4 объяснено уникальное для ферроборатов слабоанизотропноеповедение магнитных характеристик практически во всем исследованном диапазонетемператур.

Показано, что в предположении ЛП характера магнитной подсистемы336Sm0.7Ho0.3Fe3(BO3)4 удается хорошо описать экспериментальные кривые намагниченности дляB > 1.2 Тл, но возникает существенное расхождение теории с экспериментом для кривыхвосприимчивости при низких температурах, которое можно устранить, предположивреализацию, начиная с В = 0, угловой магнитной фазы. Предложенный возможный вариантпроцессов намагничивания в слабых магнитных полях позволил в деталях проанализироватьповедение магнитных моментов РЗ и Fe-подсистем и описать нелинейные низкотемпературныекривые Mс,с(В) и их эволюцию с ростом температуры.19.

Характеристики

Список файлов диссертации