WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени М.В. ЛОМОНОСОВА

__________________________________________________

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

УДК537.622.5;537.956;534.321.9

СТРУГАЦКИЙ Марк Борисович

ИЗОМЕТРИЧНЫЕ МОНОКРИСТАЛЛЫ БОРАТА ЖЕЛЕЗА:
МАГНИТНЫЕ И МАГНИТОАКУСТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ

Специальность 01.04.11 – физика магнитных явлений

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Москва - 2008

Работа выполнена в Таврическом национальном университете им. В.И. Вернадского и на кафедре магнетизма физического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Научный консультант: доктор физико-математических

наук, профессор Зубов В.Е.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических

наук, профессор Звездин А.К.

доктор физико-математических наук, профессор Иванов Б.А.

доктор физико-математических наук, профессор Четкин М.В.

Ведущая организация: Институт кристаллографии РАН

Защита состоится «___»_________2008 г. в _____час. на заседании специализированного совета Д.501.001.70 в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992 ГСП-2, г. Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, конференц-зал Центра коллективного пользования.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.

Автореферат разослан «___»_________ 2008 г.

Ученый секретарь специализированного совета

Д.501.001.70 в МГУ им. М.В. Ломоносова

доктор физико-математических наук,

профессор Г.С. Плотников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Борат железа, FeBO3, является благодатным модельным объектом многочисленных исследований в области физики твердого тела. Это связано с редким комплексом его свойств – магнитных, резонансных, оптических, магнитооптических (МО), магнитоупругих (МУ). Сочетание же некоторых из этих свойств в борате железа уникально. Так прозрачность в видимой области спектра сосуществует в нем с магнитным упорядочением.

Традиционно монокристаллы бората железа выращивают из раствора в расплаве. В этом случае образцы обычно получаются в виде тонких базисных пластинок толщиной 50 – 100 мкм. Совершенствуя такую методику, мы добились определенных положительных результатов: синтезированы крупные кристаллы высокого структурного совершенства. На наших кристаллах выполнены многочисленные исследования. Отметим лишь некоторые из них. Развитие нового экспериментального метода – магнитной мессбауэрографии (Лабушкин, Саркисян, ВНИИФТРИ), экспреименты по АФМР (Рудашевский, ИОФ РАН), бриллюэновское рассеяние на звуке (Боровик-Романов, Крейнес, Ин-т физ. проблем РАН), возбуждение мессбауэровских переходов синхротронным излучением (Артемьев, Чечин, Андронова, РНЦ «Курчатовский ин-т»), исследование динамики доменных границ (Четкин, Лыков, МГУ), эксперименты в условиях сверхвысокого давления (Любутин, Саркисян, Ин-т кристаллографии РАН).

Однако тонкие базисные пластинки не позволяют изучать все эффекты, которые можно ожидать в борате железа. Для исследования некоторых важных эффектов необходимо иметь изометричные (объемные) образцы. Речь идет, в частности, о поверхностном магнетизме и магнитоакустических (МА) явлениях. В первом случае требуются кристаллы с хорошо развитыми небазисными гранями, во втором – с большим расстоянием между противоположными базисными гранями. Получение таких кристаллов явилось исходной задачей диссертационной работы, успешное решение которой и сделало возможным обнаружение и исследование новых эффектов. Для выращивания изометричных монокристаллов бората железа в работе применен метод синтеза из газовой фазы. Тонкие базисные пластинки FeBO3 нами тоже использовались, но задачи, решаемые с их помощью, инициированы исследованиями на изометричных кристаллах.

Теперь перейдем к краткому описанию поверхностного магнетизма и магнитного двупреломления (ДП) звука, исследованию которых посвящена диссертационная работа.

Изучение поверхностных магнитных явлений – важная и актуальная задача. Это не в последнюю очередь связано с современной тенденцией в развитии магнитной микроэлектроники, заключающейся в миниатюризации ее элементной базы и устройств. Сейчас разрабатываются и создаются магнитные головки с рабочим зазором в десятые доли микрометра, интегральные магнитные головки, накопители на цилиндрических магнитных доменах и субструктурных элементах доменных границ. Прогресс в этой области в значительной степени определяется успехами в технологии синтеза тонких магнитных пленок, разнообразных по химическому составу, кристаллической и магнитной структуре. Уменьшение толщины пленок приводит к возрастанию роли поверхности в формировании их рабочих характеристик. Поверхность, являясь естественным дефектом структуры, изменяет магнитные свойства в тонком приповерхностном слое магнетика. Совокупность магнитных эффектов, обусловленных поверхностью магнетика, называют поверхностным магнетизмом. Обычно влияние поверхности распространяется на приповерхностный слой, толщина которого определяется многими факторами и варьируется от единиц до сотен тысяч атомных слоев. Неель первым указал на существование особой поверхностной магнитной анизотропии в ферромагнетиках, вызванной нарушением симметрии окружения приповерхностных атомов [1]. Однако проявление этой сравнительно слабой анизотропии обычно подавляется размагничивающими полями и значительной кристаллографической анизотропией. По оценкам Нееля поверхностная анизотропия может проявляться только в очень малых ферромагнитных частицах ~ 100. Именно по этой причине особые поверхностные магнитные свойства в большей степени характерны для ультратонких пленок.

Однако существует класс магнитных материалов, в которых поверхностная анизотропия должна проявляться не только в пленках, но даже в приповерхностной области массивных монокристаллов. Это антиферромагнетики со слабым ферромагнетизмом и магнитной анизотропией типа легкая плоскость, к которым принадлежит борат железа. Поверхностная анизотропия в таких кристаллах не будет подавляться ввиду малости размагничивающих полей, пропорциональных слабой намагниченности, и практического отсутствия кристаллографической анизотропии в базисной плоскости. Можно заключить, что кристаллы легкоплоскостных слабых ферромагнетиков представляют собой идеальный модельный объект для наблюдения поверхностной анизотропии. Впервые существование поверхностной анизотропии на небазисных гранях таких кристаллов было обнаружено и изучено в работах Кринчика и Зубова с соавторами [2,3] при МО исследованиях изоструктурного борату железа гематита. Поверхностная анизотропия приводит к образованию в приповерхностной области кристалла неоднородного магнитного слоя. В случае слабых ферромагнетиков поверхностный магнетизм проявляется по существу в виде такого переходного слоя. Условия для образования переходного слоя возникают и в приповерхностной области ортоферритов эрбия и тербия вблизи температуры ориентационного перехода [4,5].

Для выяснения механизмов поверхностной анизотропии важно исследовать поверхностный магнетизм и других кристаллов, обладающих благоприятными для его появления свойствами. К таким кристаллам в первую очередь следует отнести борат железа. Из-за большей, чем в гематите спонтанной намагниченности и большего среднего расстояния между магнитными ионами Fe3+ здесь можно ожидать меньших полей намагничивания переходного слоя и, таким образом, получения более полной картины явления (в гематите эти поля из-за своей большой величины оказались недостижимы [3]). Специфика гематита состоит в том, что возможны два варианта расположения магнитных ионов на поверхности. Это затрудняет теоретический анализ экспериментов. В борате железа такой проблемы нет. Благоприятным фактором для исследования поверхностного магнетизма бората железа является невысокая температура Нееля, что существенно упрощает температурные исследования эффектов. Кроме этого синтезированные нами образцы FeBO3 обладают большим по сравнению с гематитом набором типов небазисных граней, что также способствует полноте решения задачи. Отметим, что в работе [6] обнаружено проявление наведенной поверхностной анизотропии на базисных гранях синтезированного нами монокристалла 57FeBO3.

Следующий эффект находится в ряду явлений, сравнительно недавно предсказанных и описанных в работах Турова [7,8]. Речь идет об акустическом аналоге оптического эффекта Коттона-Мутона – линейном ДП звука в АФ кристаллах. Впервые экспериментально такой эффект был обнаружен в карбонате марганца, MnCO3, Гакелем [9] и теоретически обоснован Туровым [8]. Туровым же инициированы и наши исследования на борате железа.

Суть эффекта состоит в том, что при распространении поперечной линейно поляризованной звуковой волны вдоль оси третьего порядка ромбоэдрического АФ кристалла одна из линейно поляризованных мод не взаимодействует с магнитной подсистемой (немагнитная мода), а вторая весьма существенно взаимодействует с ней (магнитная мода). Скорость звука магнитной моды зависит от магнитного поля, что приводит к сдвигу фаз между модами и эллиптической поляризации прошедшей в кристалле волны. ДП звука вызывается магнитным вкладом С в эффективный упругий модуль антиферромагнетика. Этот вклад, возникающий при учете МУ слагаемых в термодинамическом потенциале кристалла, был впервые определен Ожогиным и Преображенским [10].

Наиболее существенного проявления эффектов магнитоакустического ДП можно ожидать в АФ кристаллах с сильной МУ связью. Именно к таким материалам относится борат железа. Эксперименты по всестороннему изучению в кристаллах FeBO3 магнитного линейного ДП звука выполнены в ИРЭ НАН Украины [11,12]. Однако попытки применения теории Турова для описания этих экспериментов не приводят к удовлетворительному результату. Анализ показал, что проблема может быть обусловлена большой величиной МУ связи в борате железа С/С 1, вызывающей не только эффекты ДП, но и неизбежно приводящей к существенному влиянию на магнитное состояние кристалла механических граничных условий. В этом случае магнитные свойства оказываются неоднородными по толщине кристалла, что значительно усложняет теоретическое описание эффектов ДП. Такая ситуация, по-видимому, является общей для всех АФ кристаллов с сильной МУ связью. Кроме этого для адекватного описания эксперимента в теории должны быть учтены структурные особенности реального кристалла.

Таким образом, важной задачей представляется анализ факторов, которые могут влиять на величину и характер акустического ДП, разработка с учетом этих факторов физических моделей и построение на основе последних теории, позволяющей адекватно описывать эффекты ДП звука в борате железа.

Все изложенное выше свидетельствует об актуальности темы диссертационной работы. В качестве основного объекта исследований выбраны изометричные монокристаллы бората железа. Отдельные задачи решались с использованием тонких базисных пластинок FeBO3 высокого структурного совершенства. При построении теории ДП звука в ромбоэдрических кристаллах, учитывающей базисную гексагональную анизотропию, автор опирался на имеющиеся экспериментальные результаты для гематита.

Цель и задачи работы

  • экспериментальное и теоретическое исследование поверхностного магнетизма бората железа;
  • разработка физических моделей и построение на их основе теории магнитного ДП звука в борате железа, учитывающей механические граничные условия и дефектную структуру реального кристалла;
  • компьютерное моделирование на основе построенной теории экспериментальных кривых полевой А(Н) и частотной А() зависимости амплитуды акустической волны в FeBO3, а также резонансных кривых rez(Н) для этого кристалла;
  • исследование влияния давления на магнитное состояние и распространение звука в тригональных антиферромагнетиках;
  • разработка технологии и синтез монокристаллов FeBO3, пригодных для МО и МА экспериментов, исследование их морфологии.

Научная новизна

Решение поставленных задач позволило получить следующие новые результаты:

  • впервые на естественных небазисных гранях изометричных монокристаллов FeBO3 методом порошковых фигур Биттера обнаружена и исследована доменная структура ЦМД-типа, свидетельствующая о существовании поверхностного магнетизма;
  • впервые проведены МО исследования поверхностного магнетизма бората железа в широком температурном диапазоне;
  • построена теория поверхностного магнетизма бората железа с учетом реконструкции поверхности и дефектности ее структуры, позволившая получить результаты, коррелирующие с экспериментом;
  • рассчитана магнитная структура приповерхностного переходного слоя бората железа во внешнем магнитном поле;
  • построена теория магнитного ДП звука в монокристалле бората железа с неоднородной магнитной базисной анизотропией, позволившая адекватно описать эксперименты; для расчета зависимостей А(Н) и А() впервые применен известный из оптики метод матриц Джонса;
  • построенная теория магнитного ДП звука в борате железа обобщена на случай учета многократных переотражений звуковой волны от границ кристаллических блоков, что позволило получить кривые А(Н) и А() с тонкой структурой, коррелирующие с экспериментом;
  • построена теория размерного акустического резонанса в неоднородно намагниченном монокристалле бората железа и на ее основе показано, что наблюдаемое смещение акустических резонансов при изменении магнитного поля является следствием возникновения гибридных акустических мод, фазовые скорости которых зависят от магнитного поля;
  • исследовано влияние давления на магнитное состояние и эффекты ДП звука в ромбоэдрических легкоплоскостных антиферромагнетиках;
  • разработана технология и впервые синтезированы из газовой фазы изометричные монокристаллы бората железа заданной формы с небазисными гранями оптического качества, пригодные для МО и МА экспериментов.

На защиту выносятся результаты

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»