Krinchik-GS-Fizika-magnitnyh-yavlenii (1239154), страница 44
Текст из файла (страница 44)
Наиболее интересными физическими эффектами симметрийного происхождения в антиферромагнитных кристаллах являются магнитоэлектрические эффекты. Если симметрия кристалла допускает появление в термодинамическом потенциале членов типа Н«Е», где Е» — вектор напряженности э,чектрического поля, то з ических представлений о данном классе явлений;!рпвело к оонаужению целого ряда новых физических эффектов, таких, как наРу магнпчивание кристалла под влиянием упруп!х напряжений ( !ье! зомагнетизм), намагничивание кристалла в электрическом поле, электрическая поляризация кристалла в магнитном поле (магнитоэлектрические эффекты) и др. Общий симметрийный подход к подобного типа эффектам состоит в следующем.
Предположим, что мы имеем антиферромагнитный кристалл, симметрия которого не допускает появления слабого фсрромагнетизма, например он имеет ось симметрии третьего или более высокого порядка. Но нпзкосимметричное внешнее воздействие может понизить симметрию кристалла настолько, что слабый ферромагнетпзм окажется возможным. Если этим внешним воздействием будет растяжение кристалла, то мь! получим эффект пьезомагнетизма. Ввести в рассмотрение пьезомагнитные модули можно следующим образом. Термодинамнческий потенциал с учетом магнитоупругой энергии запишем в виде Ф(Т, о, Н) .: Фа(Т, О) — ~Ли» оц Н». !!» (4.2.20) для намагниченности и 7! =-. амЕ,, (4.2,21) Рь = — а!, Но (4,2.
22) ьг 50 Х т. е. возможность намагничивания кристалла электрическим полем и обратив!й магнитоэлектрпческий эффект. В случае кристалла СгзОз (рис. 4.4) термодииамический потенциал имеет вид а, — — „(Е„Н 7Р Е„Н„), а„ (4.2.23) й 4 3. ФЕРРИТЫ-ШПИНЕЛИ 263 Ф вЂ” — Фв — ~ ' а;а Н! Е„. ш Дифференцируя Ф по Н; и Ею находим электрической поляризации 10 700 200 зрО 7» 'К Рнс. 4.7, Температурная зависимость модулей магнитоэлектрического эффекта ад и о! (21] и, следовательно, тензор магнитоэлектрических модулей аы имеет только диагональные члены а!! и а!. Именно на кристалле СгзОз магнитоэлектрический эффект был впервые обнаружен Астровым [11].
На рис. 4.7 приведена измеренная им температурная зависимость магнитоэлектрических модулей а, и а!. Более сложным и наиболее представительным классом многоподрешеточных магнитных кристал.лов при сравнении с антиферромагнетпками и слабыми ферромагиетиками являются ферримагнетики. По характеру взаимодействия, прпводяп!его к магнитному упорядочению, они аналогичны антиферромагнетикам — отрицательное обменное взаимодействие приводит к антипараллеяьной ориентации подрешеток.
По веяичине возникшего спонтанного магнитного момента они аналогичны ферромагнетикам — намагниченности подрешеток настолько отличаются друг от друга, что, вообще говоря, результирующий магнитный момент сопоставим по величине с магнитным моментом каждой из подрешеток. Поэтому наиболее емким определением ферримагнетика является термин «нескомпенсированиый антиферромагнетик». Термин «ферримагнетизм» был предложен Неелем в связи с тем, что изучение нескомпенсированных антиферромагнетиков было начато после успешного синтезирования Снуком ферритов-шпи- яслей различных составов 1121. На примере этих магнитных оксидиых диэлектриков быяа доказана эффективность уменьшения потерь в радиочастотном и СВЧ-диапазонах благодаря увеличению их электросопротивления по сравнению с металлическими ферромагнетиками, что и привело в конечном счете к появлению целой промышленной области производства ферритов с самыми Рис.
4.8 Гране!ентрированная решетка ионов кислорода. Ионы 1, 9, 12 и 1З янзяются нершннами правильного тетраэдра, а ионы 9, !О, 11, 12, !3, 14 образ»ют онтаэдр разнообразными свойствами. По этой причине мы начнем с ферритов-шпинелей знакомство с ферримагнетиками. Ферриты-шпинели, к которым, в частности, относится и «древнейший» магнетик — магнетит РезОИ обладают кристаллической решеткой иемагнитного минерала шпинели благородной МпА1з04. Структурой шпинели обладают стехиометрические соединения типа МОРезОИ где М вЂ” двухвалентиый металл (%, Со, Мп и т.
д.), или же комбинация одно- и трехвалентного метаялов (иапример, 1.1влРез,з04), а также многочисленные системы смешанных феРРитов, имеющие следующую общую формулу: М! зМзРееО,. Идеальную кристаляическую решетку шпииели можно рассматривать как одну из кубических плотных упаковок. В узлах этой плотной упаковки находятся большие по величине двухвалентные отрицательные ионы кислорода Оз- (радиус иона 1,3 А), а в междоузлиях (вакантных узлах) в определенном порядке расположены небольшие положительные металлические ионы (радиус 0,6— 0,8 Л).
Ионы кислорода О' в первом приближении образуют гранецентрпрованную решетку с вакантными узлами двух типов: по два тетраэдрическпх и одному октаэдрическому на один цон кислорода (рис. 4.8). Рпс. 4.9. Элементарная ячейка феррятевчапявелей Тетраэдрнческие узлы мы будем называть узлами типа А, октаэдрические — узлами типа В. Соответственно совокупность ионов, расположенных в узлах типа А, мы будем называть подреи еткой А, совокупность ионов типа  — подрешеткой В. Элементарная ячейка шпинелп состоит пз восьми формульных единиц МГез04 В нормальной структуре шпииели узлы типа В заняты ионами трехвалентного металла.
Таким образом, в элементарной ячейке шпннели имеется 32 иона О', 8 ионов в узлах А н 16 ионов в узлах В, т. е. имеются вакантные октаэдрические и тетраэдрическпе места. Места, занимаемые ионами кислорода, име- 264 ют обозначение 32е, узлы типа А обозначаются 8а, узлы типа В— Рентгенографпческие исследования структуры шпинелей показали, что кроме нормальной структуры шппнслп могут иметь обриный порядок расположения металлических ионов, когда все двухвалентныс ноны расположены в октаэдрпческих местах ( ), а трехвалентные пон лентные ионы Ге'" — в равных количествах в тетраэдрнче- (А) и октаэдрических (В) узлах. Существует также третий слуских ) з+ ны чай, когда ионы двухвалентного металла и ионы Ге распределе по узлам А и В произвольно. Такое расположение называется раздаорядоченнььтт, Записав формулу для феррита МОГезОз в впде Резь М, ш [Ре .;,М'ь]0,, где в квадратную скобку заключены ионы, находящиеся в узлах В, мы получаем, что для нормальной структуры 1.=0, а для обращенной структуры !.=0,5.
К ферритам со структурой нормальной шпинели относятся ХпО ГезОз и СЗО ГезОз. Структуру обращенной шппнелп имеют ф М, Ге, Со, %, Сц. Разупорядоченную структуру имеют чаще всего смешанные ферриты, определенным образом термооработа нные. Исследование магнитных свойств ферритов показало, что ферриты со структурой нормальной шпинели Хп[Гсз]04 и Сс) [Гез]04 вообще не ферромагнитны, в то время как все ферриты, имеющие структуру обращенной шпинели, ферромагнитны. Для объяснения существования спонтанного магнитного момента и величины намагниченности насыщения Неель [13] предположил, что спины подрешеток А и В связаны отрицательным обменным взаимодействием и направлены навстречу друг другу, Такое .
ожение можно понять на основе правил о величинах и знаках интегралов косвенного обменного взаимодействия, рассмотренных в $2.9, поскольку в шпинелях угол А — Π— В примерно равен 125', угол А — Π— А составляет около 80 и угол  — Π—  — - около 90', Следовательно, определяющим должно быть отрипательиое оменное взаимодействие между подрешетками А и В. В случае обращенной ппшнели число ионов Ге в обеих под- 3+ решетках одинаково, поэтому суммарная намагниченность фсррита определяется ионамп Мз+, находящимися в узлах В. Так как ионы Ге»+, Соя+, 5)!з+ и Сиз+ имеют соответственно 6, 7, 8 и 9 Зй-электронов, то на каждую формульную единицу шппнелей указанных выше металлов должен приходиться магнитный момент соответственно 4, 3, 2 и 1 (зв, что с точностью до вклада орбитального момента соответствует экспериментальным данным.
Убе ительным качественным подтверждением справедливости гипотезы Нееля явилось поведение смешанных ферр44товаппинеле(. '!. Запишем «магнитную» формулу ооращенной шппнсли в виде (Газ~) [Гез+Мз+]Оз, где в первой скобке находятся ионы, относящиеся к тетраэдрической подрешетке А, а во второй — к октаэдрической подрешетке В. Тогда при образовании, например, сме- 265 шанных цинковых шпинелей МО ГеаОа+УпО.Ге!От естественно предположить, что из-за тенденции цинка формировать обращенную шинкель замещение ионов пойдет следующим образом: ( е;,Уп» )!Ге!+» М!',.)Оа. Отсюда видно, что независимо от состава исходной шппнелп магнитный момент смешанных цинковых лях каь это видно нз рпс. пс.
4.!О, На этом же !!по!яке можно видеть, как подтверждается теория Нееля для чистых ферритов-шпинелей. Иве елее Ус Си Му !!о 10 Упыре О„ В Еегее ге 267 Рнс. 4ЛО. Магнитные моменты насыщенна смешанных цинковых фер-, рнтов-шнннеаей 122) шпинелей должен возрастать и стремиться при х-+-1 к значению магнитного момента ионов Реал. в подрешетке В, т. 10 .Он р„. днако поскольку само существование ферримагнетизма в шпинелях обусловлено обменным взаимодействием магнитных ионов подрешеток А и В, а число этих ионов в под ешетк А ш ия ионов Ге немагнитными ионамн цинка с возрастанием х уменьшается, то возрастание намагниченности смеша ы ф итов ол р д лжно при некотором х прекратиться. Все это хорошо подтвердили эксперименты на смешанных цинковых ферритах-шппне- 266 й 4.4.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
