WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

2.B||c 2.M2 B Mc 1.m1 mB 1.m2 В = MВ = 3 Tл 0.Mm0.0 10 20 30 40 0 10 20 30 T, K T, K Рис. 2. B-T фазовая диаграмма. Линия- Рис. 3. Температурная зависирасчет, вертикальные отрезки - мость теплоемкости TbFe3(BO3)интервал полей вблизи спин-флоп в координатах С/Т (Т). Линии - перехода с учетом гистерезиса и расчет для вклада Tb поднаклона кривой М(В), обусловленного системы, значки – эксперимент.

размагничивающим фактором образца.

Во втором параграфе рассматривается эффект “взаимодействия” (сближения) энергетических уровней РЗ иона в магнитном поле в TbFe3(BO3)4. Предсказаны аномалия на кривой намагничивания и максимум на дифференциальной магнитной восприимчивости для трудного направления Bc при низких температурах. Величина поля, при C/T, Дж/моль K B, Tл котором имеет место аномалия, дает существенную информацию о структуре основного мультиплета и параметрах кристаллического поля, которая дополняет спектроскопические данные.

Третий параграф посвящен теоретическому исследованию магнитных свойств DyFe3(BO3)4, в котором ион Dy3+ характеризуется большой, но не изинговской как Tb3+, анизотропией. Это обстоятельство позволило при интерпретации экспериментальных данных [4] для полевых и температурных зависимостей намагниченности и температурных зависимостей начальной магнитной восприимчивости вдоль трех кристаллографических направлений определить актуальные параметры соединения в отсутствие спектроскопической информации. Параметры кристаллического поля тригональной симметрии для РЗ иона были определены из зависимостей ( ) a,c T в парамагнитной области, причем критерием выбора из всех получающихся наборов параметров послужило соответствие эксперименту кривых намагничивания в базисной плоскости, которые изображены на рис. 4. Для примера на этом рисунке приведена кривая намагничивания ( ) Ma B (кривая 1), рассчитанная для кристаллического поля, которое ( ) хорошо описывает зависимости a,c T и дает расстояние между нижними дублетами иона Dy3+ в парамагнитной фазе, равное 17 см-1. Видно, что кривая идет значительно круче, чем соответствующая экспериментальная (кривая 2), что связано со сближением энергетических уровней иона Dy3+ в магнитном поле.

Выбранные параметры кристаллического поля и обменных Fe-Fe и FeDy взаимодействий позволили успешно описать все рассматриваемые характеристики DyFe3(BO3)4: анизотропию намагниченности вдоль трех кристаллографических направлений, аномалию типа Шоттки на восприимчивости (рис. 5) и т.д. Рассчитанный вклад Dy подсистемы в теплоемкость показал, что в отличие от ситуации в TbFe3(BO3)4 аномалия Шоттки на теплоемкости не смещается в область более низких температур 1.DyFe3(BO3)4 DyFe3(BO3)0. B = 0.05 Тл c 0.0.B c a, b 0.0 2 4 6 8 10 12 0 50 100 150 200 B, Tл T, K Рис. 4. Кривые намагничивания: Рис. 5. Температурные зависимосвдоль оси а при 4.2 К для кристал- ти начальной магнитной восприимчивости для трех кристаллогралического поля, дающего = 17 см-1, фических направлений. Значки – (1) и при разных температурах Т = экспериментальные данные [4], 4.2 К (2), 25 К (3), 37 К (5) и 70 К линии – расчет. Штриховые линии (6); вдоль оси b для Т = 25 К (4).

Линии – расчет, значки – – вклад диспрозиевой подсистемы ( ) ( ) экспериментальные данные [4]. в c 1 и a 2.

при B || c, а слабо сдвигается в более высокие температуры. Это связано с более сложной структурой нижней части основного мультиплета иона Dy3+, чем иона Tb3+, в структуре ферробората: два крамерсовских дублета, расщепленных f-d взаимодействием, а не удаленный от всех остальных уровней квазидублет иона Tb3+, также расщепленный f-d взаимодействием.

Четвертая глава посвящена изучению процессов намагничивания в РЗ ферроборате с R = Nd, который при T < TN 30 - 32 К является легкоплоскостным антиферромагнетиком, поскольку анизотропия и Fe, и Nd подсистем такова, что стабилизирует ориентацию всех магнитных моментов в базисной плоскости. Анизотропия низкотемпературных кривых намагничивания в плоскости ас (рис. 6) определяется анизотропией иона Nd3+ c компонентами g-тензора |gа| 2.65, |gс| 1.05, соответствующими кристаллическому полю, параметры которого были определены в данной работе. Параметры кристаллического поля, найден- B B M, /форм.ед.

, /Тл форм.ед.

ные из спектроскопичесNdFe3(BO3)2.ких исследований на T = 2 K базисе всей 4f1.5 - B||a 2.B||a - B||c конфигурации [7], дают 1.1.существенно меньшую 1.0.анизотропию (см. рис. 6).

0.5 T = 2 K 0.0 2 4 6 При намагничивании в В, Tл 0.0 2 4 6 базисной плоскости спинВ, Tл флоп переход в одном из Рис. 6. Кривые намагничивания вдоль осей а и с. Значки – экспериментальные данные из [5, возможных трех доменов, 6], штриховая линия – расчет с параметрами являющихся следствием кристаллического поля из [7], сплошные – с параметрами кристаллического поля этой тригональной симметрии, работы. На вставке – рассчитанная кривая в поле вдоль оси а и намагничивания для ситуации, когда магнитные моменты Nd и Fe ориентированы перпенпотеря стабильности двух дикулярно друг другу в базисной плоскости.

доменов из трех при критическом значении поля, направленного вдоль оси b, обуславливают характерный для фазового перехода первого рода вид кривых намагничивания (рис. 7). Кривые ”размываются” в условиях наличия реальной доменной структуры и определенного размагничивающего фактора образца и соответствуют наблюдаемому на эксперименте гистерезису [5, 6]. Эволюция кривых намагничивания с ростом температуры, выражающаяся в том, что их первоначальные участки становятся менее нелинейными, полностью соответствует экспериментально наблюдаемой картине с исчезновением следов фазового перехода первого рода при Т 13 К.

Корректный расчет процессов намагничивания в слабых полях привел к описанию температурных зависимостей начальной магнитной восприимчивости вдоль трех направлений (рис. 8), особенности которой определяются РЗ подсистемой. В частности, получено достаточно B B M, /форм. ед.

M, /форм. ед.

b NdFe3(BO3)0.B = 0.1 Tл 0.a b B M2 m1 m2 M0.0.T = 2 K 0. B||a a NdFe3(BO3)0.0.0.b c 0.B 0.0 5 10 15 20 25 a T, K M2 m1 m2 M0.T = 2 K Рис. 8. Температурные зависимос B||b ти начальной магнитной восприимчивости для трех кристаллографических направлений. Значки – экспериментальные 0.0.0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.данные [5, 6], линии – расчет.

B, Tл Рис. 7. Кривые намагничивания в базисной плоскости. Значки - хорошее соответствие экспериэкспериментальные данные из [5, 6], светлые значки соответствуют вводу мента и теории для аномалий типа поля, темные – выводу. Линии – Шоттки на а и b в расчет. Для начальной фазы дана картинка ориентации магнитных упорядоченной области, обусловмоментов железа Mi и неодима mi в ленных перераспределением трех доменах. Стрелки показывают направление вращения магнитных населенностей нижних уровней моментов железа, более длинная основного мультиплета иона Nd3+.

стрелка соответствует вращению с большей скоростью.

Констатирован больший, чем с Tb и Dy, вклад эффектов ближнего порядка, связанных с цепочечной структурой Fe подсистемы. Он проявляется в худшей применимости приближения молекулярного поля вблизи TN и коррелирует с существенно меньшей анизотропией более слабого в магнитном отношении иона Nd3+, чем ионы Tb3+ и Dy3+.

B, /Tл форм. ед.

B M, /форм. ед.

B, /Tл форм. ед.

B M, /форм. ед.

В пятой главе приведены результаты исследования магнитоупругих эффектов в 4f-3d тригональных кристаллах. Полученные общие выражения для магнитострикции, магнитоупругого вклада в тепловое расширение и перенормировку упругих констант применены к конкретному случаю 4f-3d соединений – РЗ ферроборатам RFe3(BO3)4 с разными редкими землями. На основании гамильтонианов и термодинамического потенциала, выписанных во второй главе, рассчитаны полевые и температурные зависимости всех мультипольных моментов, разрешенных симметрией для данной фазы, и температурные зависимости деформационных восприимчивостей. Разные энергетические спектры и волновые функции разных РЗ ионов, формируемые кристаллическим полем и взаимодействием с железной подсистемой и внешним магнитным полем, приводят к разным магнитоупругим эффектам.

Расчеты позволили объяснить закономерности, наблюдаемые в работе [2], для продольной магнитострикции в NdFe3(BO3)4 при B || a, при этом была показана недостаточность квадрупольного приближения. Скачки магнитострикции вблизи 1 Тл обусловлены скачками соответствующих мультипольных моментов при спин-флоп переходе. Изменение знака магнитострикции связано с изменением знака актуальных мультипольных моментов иона Nd3+ (рис. 9) в поле, величина которого определяется расщеплением основного дублета иона Nd3+ вследствие f-d взаимодействия и значениями компонент g-тензора, т.е. кристаллическим полем.

Рассчитанные скачки мультипольных моментов иона Tb3+ при спинфлоп переходе в поле вдоль оси с в TbFe3(BO3)4 имеют величины порядка нескольких единиц, умноженных на 10-3. Это может приводить к значительным скачкам магнитострикции и, соответственно, изменению обменного параметра, которое учитывалось при описании В-Т фазовой диаграммы этого соединения. Аналогичные скачки мультипольных моментов иона Dy3+ в DyFe3(BO3)4 при спин-флоп переходе также значительны, но несколько меньше, чем для Tb. Температурные зависимости деформационных восприимчивостей (рис. 10) позволяют предположить, что в TbFe3(BO3)4 возможно наблюдение смягчения модуля Юнга даже в поликристаллическом образце. Для DyFe3(BO3)4, повидимому, наблюдаемы низкотемпературные аномалии упругих констант TbFe3(BO3)NdFe3(BO3) T= 4.5 K 11=11 3, = -DyFe3(BO3)11 = T= 15 K 11 2 = 0 50 100 150 200 250 -1 2 3 4 5 6 7 8 T, K В, Tл Рис. 9. Полевые зависимости мульти- Рис. 10. Температурные польных моментов иона Nd3+ при В||a: зависимости деформационных 2 4 ( ) ( ) ( ) восприимчивостей в ферроJ O4 1, J O4 2, J 4 3, боратах TbFe3(BO3)4 и 1 2 ( ) ( ) ( ) J 2 4, J O2 5, J O2 6 и DyFe3(BO3)4 при В = 0.

J 4 7.

( ) C, C, C на монокристаллах, поскольку фононный вклад при Т < 50 К обычно выморожен. Температурные зависимости полносимметричных мультипольных моментов РЗ ионов в структуре ферробората, определяющих низкотемпературное поведение параметров кристаллической решетки, показывают лучшую возможность ---, 10 K --Мультипольные моменты,, 10 K экспериментального наблюдения аномалий теплового расширения для DyFe3(BO3)4, чем для TbFe3(BO3)4.

Заключение Главный результат диссертации – это расчет магнитных и магнитоупругих характеристик РЗ ферроборатов RFe3(BO3)4, R = Nd, Tb, Dy в рамках единого подхода, основанного на модели кристаллического поля для РЗ иона и приближении молекулярного поля. Количественная интерпретация имеющихся экспериментальных данных для магнитных характеристик RFe3(BO3)4 позволила определить параметры соединений с R = Nd, Tb, Dy, которые приведены в таблице.

Таблица параметров RFe3(BO3)4. B1, B2 и Bfd - низкотемпературные значения обменных полей, соответствующих молекулярным константам 1, 2 и fd ; fd - низкотемпературное расщепление основного состояния РЗ иона вследствие f-d взаимодействия; ga и gc - компоненты g-тензора основного дублета для крамерсовских ионов Nd3+ и Dy3+ и основного квазидублета для некрамерсовского иона Tb3+.

1, B1, 2, B2, fd, fd, Bfd, ga gc R Тл Тл B Тл B Тл B см-Тл Тл Nd -3.87 58 -1.8 27 -0.47 7.1 8.8 [7] 2.6 1.Tb -3.0 45 -2.0 30 -0.25 3.8 32 0.2 17.Dy -3.53 53 -1.87 28 -0.22 3.3 19 2 Параметры, характеризующие Fe-Fe антиферромагнитное взаимодействие, и соответствующие им низкотемпературные значения обменных полей мало различаются для этих соединений. Наличие двух обменных параметров, один из которых, 1, связан с внутрицепочечным взаимодействием, а другой, 2, - с межцепочечным, есть следствие рассмотрения магнитных свойств соединений с цепочечной структурой в приближении молекулярного поля. Слабоанизотропный, по сравнению с Tb3+ и Dy3+, ион Nd3+ испытывает примерно в два раза большее подмагничивающее поле Bfd со стороны Fe подсистемы.

Сформулированный в работе теоретический подход, учитывающий иерархию взаимодействий и структуру редкоземельных ферроборатов, позволяет рассчитывать термодинамические характеристики этих соединений с любыми редкими землями. Расчет намагниченности, магнитной восприимчивости, магнитострикции, РЗ вкладов в теплоемкость, тепловое расширение и упругие константы редкоземельных ферроборатов с R = Nd, Tb, Dy позволил сделать следующие основные выводы.

1. За магнитную анизотропию исследованных РЗ ферроборатов ответственно кристаллическое поле, действующее на РЗ подсистему.

2. В тербиевом и диспрозиевом ферроборатах в поле вдоль тригональной оси происходит спин-флоп переход в Fe подсистеме, сопровождаемый переориентацией магнитных моментов РЗ ионов вдоль направления поля.

3. В неодимовом ферроборате при намагничивании в базисной плоскости обязателен учет доменной структуры, при этом сценарии намагничивания вдоль направлений a и b разные.

4. Для всех исследованных ферроборатов на температурных зависимостях начальной магнитной восприимчивости имеют место аномалии типа Шоттки: для тербиевого и диспрозиевого соединений на ( ) ( ) c T, для неодимового – на a T и b T.

( ) 5. Аномалия Шоттки на РЗ вкладе в теплоемкость в поле вдоль тригональной оси сдвигается в область более низких температур в тербиевом ферроборате и слабо сдвигается в более высокие температуры в диспрозиевом.

6. Низкотемпературные аномалии теплового расширения и упругих констант, обусловленные РЗ вкладом, значительны и возможны для наблюдения в тербиевом и диспрозиевом ферроборатах в разных условиях эксперимента.

7. В неодимовом ферроборате скачки продольной магнитострикции в поле вдоль оси а и дальнейшее изменение ее знака обусловлены соответствующим поведением мультипольных моментов РЗ иона.

8. Скачки мультипольных моментов РЗ ионов в тербиевом и диспрозиевом ферроборатах при спин-флоп переходе в поле вдоль тригональной оси должны приводить к скачкам магнитострикции и сопутствующему изменению обменного параметра в Fe подсистеме.

9. В тербиевом ферроборате для поля вдоль трудного направления должны наблюдаться особенности кривой намагничивания и дифференциальной магнитной восприимчивости, обусловленные сближением энергетических уровней РЗ иона вблизи критического значения поля, определяемого структурой основного мультиплета.

Публикации по теме диссертации 1. Volkov D.V., Popova E.A., Kolmakova N.P., Demidov A.A., Tristan N., Skourski Yu., Buechner B., Gudim I.A., Bezmaternykh L.N. Magnetic properties of TbFe3(BO3)4//JMMM. - 2007. -V. 316. - P. e717-e720.

Pages:     | 1 || 3 |






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