Магнитоэлектрические и флексомагнитоэлектрические эффекты в мультиферроиках и магнитных диэлектриках (1097687), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Вслучаеферритависмутасоответствующиезначениянамагниченностиифлексомагнитоэлектрической поляризации, наблюдаемых при подавлении спиновойциклоиды в магнитном поле, в тонких пленках и в замещенных составах, составляли,соответственно ~5 Гс и ~20 мкКл/м2.•Взаимосвязь константы флексомагнитоэлектрического взаимодействия и константыантисимметричного обмена, обуславливающего слабый ферромагнетизм в ферритевисмута.
Оценки параметров микроскопических взаимодействий согласуются сданными магнитных, магниторезонансных и нейтронографических измерений, атакже с ранее проводимыми оценками величины флексомагнитоэлектрическоговзаимодействия, полученными на основе данных о величине обменной жесткости ипериоде спиновой циклоиды.•Флексомагнитоэлектрическое взаимодействие оказывает существенное влияние намикромагнитные распределения в магнитных диэлектриках:7- в тонких пленках магнитных диэлектриков оно стабилизирует структуры содинаковым направлением разворота во всех доменных границах (стенки имеют однукиральность).- внешнее электрическое поле вызывает смещение магнитных доменных границ.Измерения в пленках феррит-гранатов показывают, что воздействие электрическогополя ~1 МВ/см эквивалентно магнитному полю 50 Э.- электрическое поле от полосковых электродов приводит к наклону плоскостимагнитных доменных границ- Внешнее магнитное поле вызывает трансформацию структуры доменных границ впленках магнитных диэлектриков.
Изменение киральности доменной стенки приводитк переключению ее электрической поляризации. В пленках феррит-гранатовхарактерные поля переключения киральности лежат в диапазоне 10-100 Э.•Наличие в магнитных диэлектриках флексомагнитоэлектрического взаимодействиясоздает возможность зарождения в них магнитных вихрей и антивихрей с помощьюэлектрического поля. Теоретический анализ показывает, что зарождение магнитноговихря (антивихря) в магнитной частице, находящейся в поле точечного электродавозникает при достижении некоторой критическойразности потенциалов междуэлектродом и подложкой пленки, на которой расположена частица. Оценкакритического напряжения зарождения вихря в частицах высокотемпературногомультиферроика феррита висмута дает значение ~100 В.•Магнитоэлектрические свойства редкоземельных ферроборатовопределяютсяследующими факторами:- основным состоянием и анизотропией редкоземельного иона (наибольшие величинымагнитоэлектрических эффектов наблюдаются для ионов с анизотропией типа легкаяплоскость).- магнитным моментом редкоземельного иона и полем f-d обмена.Практическая значимость.Задача преобразования электрического поля в магнитное и обратно является одной изцентральных проблем в таких областях техники, как микроэлектроника, информационныесистемы, сенсорная техника.
Вот некоторые из возможных практических приложениймагнитоэлектрических эффектов, рассмотренных в диссертации:1. Пленки феррита висмута как материалы, проявляющие свои магнитоэлектрическиесвойства при комнатных температурах, могут использоваться в сенсорах магнитногополя, элементах магнитной памяти, а также в интегральной СВЧ технике [23].82. Эффект движения магнитных доменных границ под действием электрического поляможет найти применение в устройствах памяти, запись информации в которыхосуществляется не перемагничиванием элемента памяти, а смещением доменнойстенки (концепция памяти на доменных границах, NEC Corporation, IBM). Вместообщепринятых в настоящее время методов управляемого перемещения доменныхграниц посредством импульсов магнитного поля или спинового тока (и то и другоеприводит к значительным потерям энергии) в данной работе предлагаются методывоздействия на микромагнитную структуру электрическим полем [32].3.
Предсказанный эффект зарождения в магнитной наночастице под действиемэлектрического поля от точечного электрода вихревого или антивихревогораспределения намагниченности (в зависимости от электрической полярности),позволяет рассматривать данную систему как прототип электрически переключаемогоэлемента магнитной памяти с двумя логическими состояниями [33]Личный вклад автора в исследованиях магнитоэлектрических явлений микромагнитныхструктур являлся определяющим и состоял в постановке задач, проведении и руководствеэкспериментальными исследованиями, в теоретическом анализе полученных результатов.При исследовании свойств феррита висмута А.П.
Пятаков принимал участие как втеоретических,такивэкспериментальныхисследованиях.Приисследованиимагнитоэлектрических явлений в редкоземельных ферроборатах роль А.П. Пятаковазаключалась в теоретическом объяснении экспериментальных результатов.Апробация результатов.Основные результаты, изложенные в диссертации, доложены в 49 докладах навсероссийских и международных конференциях: «Новое в магнетизме и магнитныхматериалах» (НМММ – 19,20,21,22), Moscow International Symposium on Magnets (MISM2005, 2008, 2011, International Conference “Functional Materials” (ICFM 2003, 2005, 2007, 2009,2011), Euro-Asian Symposium “Trends in Magnetism” (EASTMAG 2004, 2007, 2010), SpinWaves 2009 2011, The International Conference on Magnetism (ICM-2006, 2009) и др.Публикации Результаты диссертации опубликованы в 35 статьях в реферируемыхнаучных журналах.Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав,заключения, содержащего выводы и списка литературы.
Общий объем составляет 212страниц текста, включающего 97 рисунков, 7 таблиц и 383 библиографические ссылки.9СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы иконкретные задачи исследования, описана структура работы и изложены основные научныеположения и результаты, выносимые на защиту.Первая глава представляет собой обзор экспериментальных и теоретических работ,посвященных магнитоэлектрическим материалам и мультиферроикам. В обзоре рассмотреныосновные виды магнитоэлектрических взаимодействий и различные ситуации, при которыхони имеют место.
Необходимым условием возникновения магнитоэлектрических свойствявляетсяодновременное нарушение пространственной и временной инверсии. Можновыделить три основных случая:- Магнитные среды, группа симметрии которых не содержит центра симметрии, что можетбыть как свойством кристаллохимической симметрии материала, так и результатоммагнитного упорядочения (такие среды называют, соответственно, мультиферроикамипервого и второго родов [12]);- Магнитные среды, в которых центр симметрии нарушается вследствие наличияпространственной модуляции магнитного параметра порядка. Понижение симметрии можетбыть локальным (микромагнитные структуры типа доменных границ) [26] или иметь местово всем объеме кристалла (спиральные магнетики) [2,11, 27,28].- Поверхности и интерфейсы диэлектрических и магнитных сред, наличие которых такжеприводиткисчезновениюцентральнойсимметрии,создаваяпредпосылкидлявозникновения магнитоэлектрических явлений на границах [15].Последние две возможности позволяют существенно расширить класс материалов, вкоторых проявляются магнитоэлектрические эффекты, за счет тех сред, однородноемагнитное упорядочение которых оставляет центр симметрии.Помимо симметрийных ограничений на пути к практическому использованию,существуютипрепятствияиногорода:большаячастьмагнитоэлектриковимультиферроиков проявляют свои свойства при низких температурах.
Поэтому особоевнимание уделено средам, магнитоэлектрические свойства которых проявляются прикомнатныхтемпературах,посколькутакиематериалыпредставляютинтересдляпрактических применений. На конкретных примерах обсуждаются возможные приложениямагнитоэлектрическихматериалови мультиферроикови энергосберегающих технологий.10в областиинформационныхВо второй главе рассматриваются магнитные и магнитоэлектрические свойстваперовскитных антиферромагнетиков на примере высокотемпературного мультиферроикаферрита висмута.Для теоретического анализа свойств кристалла использована техника неприводимыхпредставлений теории пространственных групп кристаллов [34-36].
Данный метод позволяетопределитьвидмагнитоэлектрическоготензораэффекта.Знаниеструктуры (т.е. отличных от нуля компонент)тензорамагнитоэлектрическогоLэффектаимеет практическое значение для разработкиустройств и композитных материаловсзаданными свойствами. Анализ, основанныйнаметоденеприводимыхпредставленийтеории групп, позволяет предсказать наличие вферритевисмуталинейногоРис.
2 Пространственно модулированнаяспиновая структура, L– векторантиферромагнетизма, M – намагниченность,P – электрическая поляризация.магнитоэлектрического эффекта и слабого ферромагнетизма, линейно зависящих откомпонент магнитного параметра порядка. Из симметрийного рассмотрения следует такжевозможность существования в феррите висмута пространственно модулированной спиновойструктуры(рис.2),индуцированнойэлектрическойполяризациейзасчетфлексомагнитоэлектрического взаимодействия, описываемого инвариантом типа Лифшица[2; 26, 27]:FFlexoME = γ ⋅ p(n(∇n ) − (n∇ )n )(1)где F – плотность свободной энергии, p – единичный вектор электрической поляризации, n –единичный вектор параметра порядка (в данном случае, вектор антиферромагнетизма L,определяемыйкакразностьнамагниченностейподрешеток),γ–флексомагнитоэлектрическая константа.Минимизация функционала полной энергии с учетом вклада (1) дает решение в видеспиновой циклоиды L(θ , ϕ ) , описываемой в гармоническом приближении следующимизависимостями для углов (θ , ϕ ) , в сферической системе координат с полярной осью вдоль соси кристалла:θ0 = qx x + q y y ,ϕ 0 = const = arctg (qyqx),q = q0 =γ2A(2)где q – волновой вектор циклоиды, А – обменная жесткость антиферромагнетика (последнееусловие для пространственной частоты определяется минимизацией свободной энергии по11периоду циклоиды λ = 2π / q ).
Гармоническое приближение справедливо в области высокихтемператур и малых полей.Трактовка механизма флексомагнитоэлектрического эффекта дается на основепредставлений об антисимметричном сверхобменном (через ион кислорода) взаимодействиии данных о взаимных расположениях ионов в кристалле.обмена,Энергия антисимметричногоприходящаяся на один магнитный ион, может быть определена как сумма поближайшим шести соседям иона, принадлежащим другой антиферромагнитной подрешетке:1 N =6V = ∑ (D n ⋅ [s 0 × s n ])2 n(3)где s0, sn – единичные векторы магнитного момента центрального иона железа и одного изионов окружения, соответственно. D – вектор Дзялошинского, который согласно [37; 38]равен V0 rn−0 × rn−n , где rn-0, rn-n – радиус-векторы, направленные из n-го иона лиганда (вo 2качестве которого выступает ион кислорода) к магнитным ионам железа, V0 = 1,1 мэВ A –константа взаимодействия.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
