Магнитоэлектрические и флексомагнитоэлектрические эффекты в мультиферроиках и магнитных диэлектриках (1097687)
Текст из файла
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙУНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.В. ЛОМОНОСОВА»ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиПятаков Александр ПавловичМАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕИ ФЛЕКСОМАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫВ МУЛЬТИФЕРРОИКАХ И МАГНИТНЫХ ДИЭЛЕКТРИКАХСпециальность 01.04.11 – Физика магнитных явленийАвторефератдиссертации на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукМОСКВА — 2013Работа выполнена на кафедре физики колебаний физического факультетаМосковского Государственного Университета имени М.В. ЛомоносоваНаучный консультант:Звездин Анатолий Константинович,доктор физико-математических наук, профессорОфициальные оппоненты:Грановский Александр Борисович,доктор физико-математических наук, профессор,МГУ им.
М.В. Ломоносова, физ. факультет,профессор кафедры магнетизмаФетисов Юрий Константинович,доктор физико-математических наук,профессор,МГТУ МИРЭА, факультет электроники, деканПопов Александр Иванович,доктор физико-математических наук,профессор,Национальный исследовательский Университет МИЭТ,профессор кафедры общей физики.Ведущая организация:Федеральное государственное бюджетное учреждениенауки Институт кристаллографии имени А.В. Шубникова Российской академии наук.Защита диссертации состоится «21» марта 2013 годав 16 часов на заседаниидиссертационного совета Д 501.001.70 при Московском государственном университетеимени М.В. Ломоносова по адресу 119991, г.
Москва, ГСП-1, Ленинские горы, д.1, стр.35,ЦКП Физического факультета МГУ, конференц-зал.С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке МГУ имени М.В. Ломоносова(Ломоносовский проспект, д.27, Фундаментальная библиотека)Автореферат разослан «» февраля 2013 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.70доктор физ.-мат. наук, профессорПлотников Г.С.ВведениеОбщая характеристика работыАктуальность проблемыМультиферроики – класс кристаллических твердых тел, в которых сосуществуют хотя быдва из трех параметров порядка: магнитного, электрического или сегнетоэлектрического (взарубежной литературе, соответственно: (anti-)ferromagnetic, ferroelectric, ferroelastic) [1].
Вдиссертационной работе рассмотрены материалы, обладающие одновременно магнитным иэлектрическим упорядочением – сегнетомагнетики [2,3], которые в настоящее время чащеназывают по имени более широкого класса мультиферроиками. Связь между магнитной иэлектрическойподсистемойвмультиферроиках,проявляющаясяввидемагнитоэлектрических (МЭ) эффектов [4], предоставляет возможность с помощьюэлектрическогоосуществлятьполяуправлятьмодуляциюмагнитнымиэлектрическихсвойствамисвойствматериала,магнитнымполем.инаоборот,Результатыисследований, начавшихся сразу после открытия магнитоэлектрических эффектов [5,6] исинтеза первых сегнетомагнетиков [7,8] в конце 50-х – начале 60-х годов прошлого века,отражены в ранних обзорах и монографиях [2,3].
Вплоть до начала текущего столетиямагнитоэлектрики и мультиферроики представляли интерес для сравнительно узкого кругаспециалистов, так как малые величины магнитоэлектрических эффектов и низкиетемпературы, при которых они проявлялись, не позволяли говорить об их практическомприменении. Наблюдающийся в последние годы всплеск исследовательской активности вэтой области, названный «магнитоэлектрическим ренессансом», нашел свое выражение вмногочисленных обзорах, посвященных мультиферроикам [9-15]. Он связан, с однойстороны, с существенным прогрессом в понимании механизмов магнитоэлектрическоговзаимодействия в мультиферроиках [16,17], с другой стороны – с обнаружением материалов,которые при комнатных температурах и в умеренных магнитных полях проявляютмагнитоэлектрические свойства [18-20], что породило ожидания конкретных практическихприложений магнитоэлектриков в спиновой электронике, магнитной памяти, СВЧ исенсорной технике [21-24].В то же время общее количество высокотемпературных мультиферроиков до сих поростается небольшим, а те, что проявляют магнитоэлектрические свойства при комнатнойтемпературе, характеризуются малой (или нулевой) намагниченностью и значительнымипотерями за счет конечной проводимости.
В связи с этим актуален поиск новых сценариевреализации магнитоэлектрических явлений в твердом теле, среди которых особого внимания3заслуживаетмеханизмпространственнообразованияэлектрическойполяризации,связанныйсмодулированными спиновыми структурами (спиновыми циклоидами),аналогичный флексоэлектрическому эффекту в жидких кристаллах [25], в которых подобнаяизгибу (лат. flexion) пространственная модуляция директора порождает электрическуюполяризацию (рис.1).
Возникновение электрической поляризации при пространственноймодуляции магнитного параметра порядка называют флексомагнитоэлектрическим (илинеоднородным магнитоэлектрическим [26]) эффектом. Для его существования в магнитныхсредахнетсимметрийныхограничений,такчтооннаблюдаетсянетольковмультиферроиках, но и в центросимметричных магнитных диэлектриках, что позволяетсущественно расширить класс магнитоэлектрических объектов [26-29].Рис. 1. Флексоэлектрический эффект: а) в диэлектриках за счет возникновения градиентамеханической деформации при изгибеб) в нематических жидких кристаллах припространственной модуляциидиректора, указывающего ориентацию молекул в) вмагнитоупорядоченных средах при возникновении спиновой циклоиды.
P — электрическаяполяризация, E— электрическое поле, k – направление модуляции магнитного параметрапорядка, Ω — нормаль к плоскости разворота магнитного параметра порядка.В средах без центра симметрии, но без выделенного полярного направления магнитноеупорядочение также может порождать электрическую поляризацию.
Это проявляется всегнетоэлектрических аномалиях, которые наблюдаются в разнообразных спонтанных имагнитоиндуцированных спин-переориентационных фазовых переходах, реализующихся вредкоземельныхмагнетиках.модифицированныхматериаловНаконец,напредставляетосновеужеинтереснайденныхизучениесвойстввысокотемпературныхмагнитоэлектриков и мультиферроиков, поскольку добавление примесей, а такжеизготовление их в виде тонких пленок, приводит к существенному изменению их свойств.Цельюдиссертационнойработыявляетсяустановлениеновыхмеханизмовмагнитоэлектрических эффектов в мультиферроиках и магнитных диэлектриках, длядостижения которой в работе решались следующие задачи:•Теоретическое рассмотрение магнитоэлектрических эффектов, наблюдаемых примагнитных фазовых переходах, связанных с подавлением и возникновением спиновой4циклоиды в магнитном поле.
Экспериментальное исследование таких фазовыхпереходов в феррите висмута методом антиферромагнитного резонанса и нахождениеусловий их реализации.•Теоретическое исследование магнитной структуры тонких пленок феррита висмута,обладающих улучшеннымиусловиемреализациимагнитоэлектрическими свойствами, необходимымкоторыхявляетсяподавлениеспиновойциклоидыиустановление однородной антиферромагнитной структуры. Определение критическихмеханических напряжений, при которых в пленке однородная антиферромагнитнаяструктура становится энергетически более выгодной;•Теоретическоеисследованиеэлектрическойполяризации,ассоциированнойсмагнитными неоднородностями и микромагнитными структурами, такими какдоменные границы, вертикальные линии Блоха, магнитные вихри;•Экспериментальное изучение эффектов влияния электрического поля на магнитнуюдоменную структуру в пленках феррит-гранатов: управляемое электрическим полемперемещение магнитных доменных границ, наклон плоскости доменных границ;•Анализ механизмов магнитоэлектрических эффектов в редкоземельных ферроборатахиролиредкоземельныхионоввмагнитоэлектрическихвзаимодействиях.Теоретическое исследование спин-переориентационных фазовых переходов, прикоторых в этом классе соединений наблюдаются аномалии в зависимостяхэлектрической поляризации от магнитного поля.Рассмотрение магнитных фазовых переходов и магнитоэлектрических эффектов,связанныхспространственномодулированнымиспиновымиструктурамивмагнитоэлектрических материалах ведется на примере соединения BiFeO3 (феррит висмута).Такой выбор обусловлен тем, что феррит висмута, благодаря своей относительно простойхимической и кристаллической структуре и большому разнообразию наблюдаемых в неммагнитоэлектрических эффектов, удобен как модельный объект для теоретическихисследований.
Так, в нем возможно одновременное существование слабого ферромагнетизмаи линейного магнитоэлектрического эффекта. Еще одним замечательным свойством ферритависмута является существование в нем спиновой циклоиды, порожденной спонтаннойэлектрической поляризацией вследствие флексомагнитоэлектрического эффекта. Кроме того,ферритвисмутапредставляетпрактическийинтерескакосновадлясозданиямагнитоэлектрических материалов, что связано с рекордно высокими температурамиэлектрического (TС=1083 K) и магнитного (TN=643 K) упорядочений.5Электрическаяполяризация,ассоциированнаясмикромагнитнымиструктурами,исследовалась на примере пленок феррит-гранатов, являющихся классическим объектоммикромагнитных исследований вследствие простоты визуализации в них доменных структурс помощьюмагнитооптическихметодов. Наблюдение в пленкахферрит-гранатовэлектромагнитооптических эффектов на магнитных доменных границах [30, 31] давалооснование к поиску в них нового типа магнитоэлектрических явлений, связанного смагнитными неоднородностями.Влияние редкоземельных ионов на магнитоэлектрические эффекты в мультиферроиках внаилучшей степени иллюстрирует семейство редкоземельных ферроборатов.
В этом недавнооткрытом классе мультиферроиков наблюдается большое разнообразие магнитных фазовыхпереходов, сопровождающихся магнитоэлектрическими аномалиями.Научная новизна работы заключается в следующем:•Теоретически исследованы механизмы флексомагнитоэлектрического взаимодействия иусловиявозникновениявмультиферроикахпространственномодулированныхспиновых структур в зависимости от параметров материала (величины обменноговзаимодействия,однооснойанизотропии,неоднородногомагнитоэлектрическоговзаимодействия и спонтанной намагниченности), а также внешнего магнитного поля.Данная теоретическая модель позволила впервые объяснить следующие явления,наблюдающиеся в мультиферроиках:- аномалии магнитоэлектрических зависимостей в мультиферроиках BiFeO3 (ферритевисмута) и BaMnF4, возникающие при подавлении и возникновении спиновойциклоиды, которые долгое время не находили объяснения в рамках модели,учитывающей только однородное магнитоэлектрическое взаимодействие;- возникновение слабого ферромагнетизма в феррите висмута в сильных магнитныхполях;-подавлениепространственномодулированнойспиновойструктурызасчетмеханических напряжений, возникающих при эпитаксиальном росте пленок ферритависмута;- возникновение спонтанной намагниченности в тонких пленках феррита висмута.•Впервые проведены измерения в сильных магнитных полях спектров электронногоспинового резонанса высокотемпературного мультиферроика BiFeO3, что позволилоопределить важные для микроскопической теории флексомагнитоэлектрическоговзаимодействия параметры, в частности, поле Дзялошинского-Мории H DM =120 кЭ.6•Экспериментальноитеоретическифлексомагнитоэлектрическоговзаимодействияисследованывпроявлениямикромагнетизме.Впервыеэкспериментально подтверждено предсказанное В.Г.
Барьяхтаром и др. в 1983 году [26]наличие у магнитных доменных границ электрической поляризации, проявляющейся вих движении под действием электрического поля. Предсказан эффект зарождения истабилизации с помощью электрического поля магнитных вихрей, а также ихтопологических антиподов – антивихрей, редко встречающихся в стабильномсостоянии.•Проведено теоретическое рассмотрение механизмов магнитоэлектрических эффектов вновом классе мультиферроиков – редкоземельных ферроборатах. Установленазависимость магнитоэлектрических свойств от типа редкоземельного иона, в частностиот таких факторов, как магнитная анизотропия редкоземельного иона, а также поляобмена между ионами железа и редкой земли.Научные положения и результаты, выносимые на защиту:•Фазовые переходы в мультиферроиках из пространственно модулированногомагнитногосостоянияводнородноесостояниесопровождаютсяскачкомэлектрической поляризации, вызванным флексомагнитоэлектрическим эффектом, атакже, при наличии локального скоса магнитных подрешеток, возникновениеммакроскопической намагниченности, обусловленной слабым ферромагнетизмом.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
