Магнитоэлектрические и флексомагнитоэлектрические эффекты в мультиферроиках и магнитных диэлектриках (1097687), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Корреляцию полевых зависимостей компонент поляризации и магнитострикции,иллюстрируемую рис. 17 и 18 (вследствие сходства форм записи формул 10 и 11).6. Малость компоненты электрической поляризации вдоль с-оси по сравнению скомпонентами в плоскости (различие на два порядка) – вследствие того что она описываетсяинвариантами более высоких порядков по компонентам векторов M, L, чем поляризация вбазисной плоскости.Болеедетальныйанализсучетомквантовомеханическогорассмотрениямикроскопических механизмов взаимодействий показывает, что вклад в электрическуюполяризацию от редкоземельных ионов пропорционален произведению магнитного моментаиона на эффективное магнитное поле, действующее на редкоземельный ион.
При малыхвнешних магнитных полях основную роль играет поле f-d обмена, от величины которогозависят не только характерные поля фазовых переходов, но и сама величина поляризации.Описанныевышемагнитоэлектрическиеимагнитоэлектрическиеаномалиивозникают в легкоплоскостных ферроборатах. В легкоосном состоянии, как следует изформул (10), электрическая поляризация в ферроборатах отсутствует.
Однако при изменениитемпературы или под действием магнитного поля в легкоосных ферроборатах могутвозникать, соответственно, спонтанные или индуцированные магнитным полем фазовыепереходы (рис. 19), которые сопровождаются магнитоэлектрическими аномалиями.27T<TSRHSFLа)б)в)Рис. 19 Магнитные фазовые переходы, наблюдающиеся в редкоземельных ферроборатаха) спонтанный спин-переориентационный переход в легкоосное состояние при T<TSRб) индуцированный магнитным полем HSF переход типа «спин-флоп» в) индуцированныймагнитным полем в базисной плоскости возвратный переход в легкоплоскостное состояние.Наибольший интерес представляет впервые наблюдавшийся в ферроборате гадолиния[61]необычный переориентационный переход спинов от с-оси к базисной плоскости,происходящий при T < TSR в магнитном поле H ⊥ c (рис.
19 в). Действительно, на первыйвзгляд, нет причин, которые бы его вызывали: как в начальном состоянии «легкая ось», так ив конечном «легкая плоскость» внешнее магнитное поле ориентировано перпендикулярновектору антиферромагнетизма L (в фазе «легкая плоскость» спины свободно вращаются вплоскости, поэтому условие минимума энергии ( L ⋅ H ) = 0 автоматически выполняется уже вочень слабых полях).Можно показать, что причина такого поведения кроется в том, что редкоземельныйвклад в энергию анизотропии зависит также и от внешнего магнитного поля H. Рассмотримна примере ферробората гадолиния вклад в термодинамический потенциал редкоземельнойподсистемы:FGd1 2= ∑2 i =1iH eff()i∫ M Gd H eff dH eff = −0kT22 xi∑ ∫ B (x )dxi =1 0J(12)где суммирование ведется по двум парамагнитным подсистемам i=1,2, B J ( x ) – функцияБриллюэна, J=7/2 – квантовое число полного момента количества движения иона гадолиния,а эффективное поле, в котором находится редкоземельный ион с магнитным моментом М,слагается из поля обмена между ионами редкой земли и ионами железа и внешнегомагнитного поля:H = ±Hieffexch+ H.Разлагая (12) в ряд по приращению магнитного поля δH i с точностью до членов 2-гопорядка, получим вклад в анизотропию отK Gd (T , H ) :28парамагнитной подсистемы гадолинияKGd(T , H ) ≈ α ⋅ gµ J B⋅ BJ +H22gµ B JH exch(H )2exch(H )2exchkT+ H 2 ≡ αA(T , H )(13)где α – малый параметр порядка δH / H exch , g – фактор Ланде, µ B – магнетон Бора.Фактически, это уравнение A(T , H ) = const представляет собой уравнение границы,отделяющей между собой легкоосную и легкоплоскостную фазы на плоскости T-H.Рис.20 Фазовая диаграмма GdFe3(BO3)4 в координатах T-H: точки – экспериментальнаязависимость, штрих-пунктирная кривая – теоретическая зависимость.Из рисунка 20 видно, что зависимость (13) качественно объясняет наличиевозвратного перехода:магнитное поле, уменьшая по модулю величину KGd,как бы«возвращает» кристалл в область более высоких температур.
Систематическое отклонениеэкспериментальных точек от теоретической кривой в сторону меньших критических полей,возможно, связано с тем, что в эффективном поле не учитывалось вклад от дипольдипольного R-Fe взаимодействия со стороны решетки железа, учет которого требуетдополнительных численных расчетов: суммирования по всем узлам, занимаемым ионамижелеза.Таким образом, механизм возвратного перехода связан с уменьшением(подавлением) в магнитном поле вклада в энергию анизотропии от редкоземельных ионов,стабилизирующего легкооосное состояние при низких температурах.Фазовые переходы в ферроборате гольмия феноменологически весьма схожи: притемпературе спиновой переориентации TSR=5 K, наблюдается спонтанный переход влегкоосное состояние, также наблюдаются спин-флоп и возвратный переходы.
Однако вотличие от ферробората гадолиния, где происходит конкуренция вкладов в анизотропию отсистемы ионов железа и редкоземельного иона, анизотропия ферробората гольмия29определяется специфическим спектром иона Ho3+ в кристаллическом и обменном полях, гдеимеет место своеобразная компенсация от разных пар уровней (переходов).Такимобразом,качественныесимметрийноеособенностиврассмотрениемагнитоэлектрическихферроборатов (рис. 17), а также условияпозволяетобъяснитьзависимостяхосновныередкоземельныхвозникновения электрической поляризации внеполярных антиферромагнетиках без центра симметрии, арассмотрение магнитныхвзаимодействий и вкладов в магнитную анизотропию от подсистем ионов железа и редкойземли позволяет количественно описать магнитные фазовые переходы, в которых возникаютмагнитоэлектрические аномалии.Результаты и выводыПроведен анализ магнитоэлектрических и магнитных свойств и структуры1.кристалла феррита висмута, в том числе механизмов их возникновения.
Показанавзаимосвязь константы флексомагнитоэлектрического взаимодействия и константыантисимметричного обмена, обуславливающего слабый ферромагнетизм в ферритевисмута. Одновременное существование спиновой циклоиды и локального скосаподрешеток, объясняется тем, что эти два явления связаны с независимымидисторсиями, соответствующим ортогональным (полярным и аксиальным) модамкристалла. По величине магнитного момента в расчете на один ион железа иона mFe ~0,09 µB/Fe в BiFeO3, проведена оценка константы флексомагнитоэлектрическоговзаимодействия 0, 6 эрг/см 2 , совпадающая с ранее проводимыми оценками [18]величины флексомагнитоэлектрического взаимодействия, полученными на основеданных о величине обменной жесткости и периоде спиновой циклоиды.2. Наосновефлексомагнитоэлектрическогомеханизмаобъясненааномалиявмагнитоэлектрических зависимостях для феррита висмута и BaMnF4, наблюдающаясяпри критическом магнитном поле подавления (или образования, в случае BaMnF4)циклоиды в виде скачка электрической поляризации.
Оцененная величина добавочнойполяризации,обусловленнойфлексомагнитоэлектрическимвзаимодействием~20 мкКл/м2 в феррите висмута согласуется с экспериментальными значениямискачка электрической поляризации в критическом поле фазового перехода.3. Дана теоретическая интерпретация экспериментов по наблюдению возникновенияслабого ферромагнетизма феррита висмута при магнитном фазовом переходе,30индуцированном магнитным полем. Объяснен ход кривой намагничивания, которыйпозволяетпроследитьпроцессискаженияиразрушенияпространственномодулированной структуры внешним магнитным полем.4. Данотеоретическоеобъяснениерезультатовнаблюденийспектровантиферромагнитного резонанса BiFeO3 в сильных магнитных полях (до 250 кЭ).ПутемаппроксимациипараметровполяэкспериментальныхДзялошинского-МориизависимостейполученымагнитоэлектрическойзначенияприродыH DM =1,19·105 Э и константы одноосной анизотропии K u =6,6·105 эрг/см3.5.
Теоретически показано, что в тонких пленках феррита висмута при критическихдеформациях ~1%реализуется однородное антиферромагнитное состояние сотличными от нуля спонтанной намагниченностью и магнитоэлектрическимэффектом. Рассчитанные величины критических напряжений сжатия (1,7%) ирастяжения (0,6%) согласуются с экспериментальными данными для пленок ферритависмута, выращенных на подложках с кристаллографической ориентацией (001).6. Экспериментально и путем численного моделирования показана взаимосвязьпространственной модуляции магнитного параметра порядка и электрическойполяризации, играющая заметную роль в формировании микромагнитных структур,наряду с диполь-дипольным и обменным взаимодействиями, магнитной анизотропиейи зеемановским взаимодействием.
Данная взаимосвязь проявляется:а) в смещении магнитных доменных границ и вертикальных линий Блоха поддействием электрического поля;б) в наклоне плоскости доменных границ;в) в возникновении в пленках магнитных диэлектриков доменной структуры содинаковой киральностью доменных границ;г) в возможности зарождения и переключения магнитных вихрей в наночастицах.7. Внешнее магнитное поле вызывает трансформацию структуры доменных стенок впленках магнитных диэлектриков, имеющую характер фазового перехода первогорода из состояния с одинаковой киральностью доменных границ в состояние спротивоположной киральностью соседних доменных границ. Изменение киральностимагнитной доменной границы приводит к переключению ее электрической31поляризации.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
