WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 3 Исследования магнитного состояния поверхности гексагональных ферритов Sr–M в области фазового перехода при температуре Кюри © А.С. Камзин, В.Л. Розенбаум Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Поступила в Редакцию 21 июля 1998 г.

В окончательной редакции 20 августа 1998 г.) Проведены исследования температурных зависимостей параметров сверхтонких взаимодействий (СТВ) в поверхностном слое толщиной 200 nm и в объеме макроскопических кристаллов гексагональных ферритов типа Sr–M (SrFe12O19 и SrFe10.2Al1.8O19). Для измерений был использован метод одновременной гамма-, рентгеновской и электронной мессбауэровской спектроскопии, позволяющий проводить прямое сравнение параметров СТВ для поверхности и объема образца. Из экспериментально полученных температурных зависимостей эффективных магнитных полей установлено, что поля на ядрах ионов железа, расположенных в поверхностном слое толщиной 200 nm, понижаются с повышением температуры быстрее, чем эффективные поля на ядрах ионов железа, находящихся в объеме образца. Обнаружено, что переход в парамагнитное состояние поверхностного слоя толщиной 200 nm происходит при температуре на 3 ниже температуры Кюри для объема кристалла. Таким образом, впервые экспериментально показано, что переход в парамагнитное состояние поверхностного слоя макроскопических ферромагнетиков происходит при температуре ниже точки Кюри (Tc) для объема кристалла. Установлено, что температура перехода Tc(L) тонкого слоя, локализованного на глубине L от поверхности кристалла, повышается по мере удаления от поверхности и достигает значения Tc на нижней от поверхности границе поверхностного слоя, названного ”критическим”. Вблизи Tc наблюдается неоднородное состояние, когда в объеме кристалл магнитоупорядочен, а его поверхность разупорядочена. На основании экспериментальных данных предложена фазовая диаграмма состояний поверхности и объема макроскопических магнетиков в области точки Кюри (или Нееля).

Важность понимания свойств поверхности и необходи- фазовая диаграмма состояний поверхности и объема мость изучения влияния такого ”дефекта”, как поверх- полуограниченного магнетика вблизи точки Кюри (см., ность на магнитные свойства поверхностного и припо- например, [5]). На рис. 1 приведена диаграмма состоверхностного слоев кристалла, привлекают все возра- яний магнетика в зависимости от феноменологического стающее внимание исследований, начиная с 70-х годов. параметра порядка q, впервые использованного в [1] для В настоящее время исследования свойств поверхности с описания специфики поведения системы на поверхности, прикладной точки зрения также становятся актуальными и определяющего величину поверхностной энергии. Обопотому, что поверхность оказывает существенное влия- значения линий фазовых переходов (1 — поверхностный, ние на формирование свойств наноразмерных порошков 2 — ординарный, 3 — экстраординарный) были впервые и пленок; понимание природы таких материалов позво- введены в [6]. При ординарном переходе, как следует из лит, например, определить пути влияния на их свойства теоретических рассмотрений, переход в объеме кристалв процессе синтеза. ла и на его поверхности происходит одновременно. При Особый интерес представляют процессы на поверхно- другом знаке параметра q поверхность предрасположена сти, сопровождающие такие фундаментальные явления к магнитному упорядочению и до появления намагнив объеме кристалла, как фазовые переходы. В первых ченности в объеме на поверхности кристалла возникает теоретических описаниях свойств поверхности полубес- магнитное упорядочение.

конечных кристаллов было введено понятие поверхност- К настоящему времени экспериментальные исследованой магнитной энергии [1] и показано, что при отрица- ния свойств поверхности выполнены либо с использовательных значениях этой энергии поверхность кристалла нием тонких порошков (в которых существенно увелиможет иметь намагниченность при температурах выше чивается соотношение числа ионов, расположенных на точки Кюри для объема образца. При этом намагничен- поверхности к количеству ионов, занимающих положеность поверхности экспоненциально уменьшается в глу- ния в объеме кристаллитов), либо на примере сверхтонбину образца. Теоретические исследования поверхности ких пленок. Исследования таких объектов подтвердили антиферромагнитных кристаллов [2] также предсказали выводы теоретических работ о существовании намагнивозможность существования поверхностного магнетизма ченности на поверхности магнетиков при температурах при температурах выше точки Нееля. В последовавших выше точки фазового перехода для объема образца. Так, после [1, 2] работах свойства поверхности описывались экспериментально была обнаружена намагниченность на с привлечением практически всех методов, развитых поверхности Cr, Co, Ni, Tb и Gd при температурах выше при изучении свойств объемных кристаллов [3–5]. В точки магнитного упорядочения объема этих веществ результате теоретических исследований была построена (см. [3–5, 7] и ссылки там). Однако данных эксперименИсследования магнитного состояния поверхности гексагональных ферритов Sr–M... Кюри может находиться только в упорядоченном состоянии. Возможно, причина расхождения выводов теоретических работ и наших экспериментальных исследований заключается в том, что теоретически рассматривались ферромагнетики, тогда как эксперименты были проведены на антиферромагнетиках, обладающих слабым ферромагнетизмом.

В данной работе проведены экспериментальные исследования поведения в зависимости от температуры магнитной системы тонкого поверхностного слоя и объема макроскопических ферромагнитных кристаллов, а также магнитного состояния поверхности в области фазового перехода в точке Кюри.

Для исследования были выбраны монокристаллы гексагональных ферритов SrFe12O19 (типа Sr–M), а также Рис. 1. Фазовая диаграмма состояний поверхности и объема ферромагнетика в области температуры Кюри, полученная те- ферриты этой же структуры с замещением части иооретически [5]. 1 — линия поверхностного фазового перехода, нов железа диамагнитными ионами Al (SrFe10.2Al1.8O19).

2 — ординарного, 3 — экстраординарного, VO — объем Ферриты типа Sr–M имеют гексагональную кристалликристалла магнитоупорядочен, SO — поверхность кристалческую структуру магнетоплюмбита [13]. При темперала магнитоупорядочена, VD — объем магнитонеупорядочен, турах ниже точки Кюри Tc = 730 K магнитная структура SD — поверхность магнитонеупорядочена.

кристалла SrFe12O19 представляет собой коллинеарный ферромагнетик с большим значением поля анизотропии, осью легкого намагничивания которого является гексагональная или кристаллографическая ось c (см., тальных исследований свойств поверхности макрокринапример, [14] и ссылки там).

сталлов в области точки Кюри (Нееля), по сравнению с Для измерений использовались пластинки толщиной результатами теоретических работ, существенно меньше.

от 70 до 100 µm, вырезанные из монокристаллов, синтеЭто связано было с отсутствием экспериментальных методов, позволяющих исследовать и сравнивать свой- зированных из раствора в расплаве. Кристаллографичества тонкого поверхностного слоя и объема массивно- ская ось c была направлена перпендикулярно плоскости пластинок. Для исследований поверхности кристаллы го кристалла. Для понимания поверхностных явлений, подвергались химической полировке в ортофосфорной для установления связей эффектов на поверхности и кислоте при температуре 90 C в течение одной в объеме кристалла необходимы методы, позволяющие минуты. Предыдущие эксперименты [15, 16] показали, исследовать поверхность макрокристаллов и профилей изменения свойств поверхностного слоя в прямом срав- что применение такого способа обработки кристаллов обеспечивает качественную подготовку поверхности к нении со свойствами объема образца.

Уникальным методом, удовлетворяющим перечислен- исследованиям и не вносит каких-либо искажений в структуру поверхности.

ные условия, является метод одновременной гамма-, рентгеновской и электронной мессбауэровской спектро- Магнитное состояние поверхности и объема кристаллов исследовалось методом ОГРЭМС, впервые предлоскопии (ОГРЭМС), предложенный в [8] и разработанный в [9]. С помощью метода ОГРЭМС было эксперимен- женным в [8, 9]. Метод ОГРЭМС основан на том, что тально установлено [10–12], что в макрокристаллах анти- одновременно регистрируются мессбауэровские спектры ферромагнетиков со слабым ферромагнетизмом темпе- на излучениях, имеющих различные длины пробега в ратура перехода поверхности в парамагнитное состояние веществе, а именно: гамма-квантах, рентгеновском харакниже точки Нееля. Понижение температуры перехода теристическом излучении и вторичных (конверсионных порядок–беспорядок происходит плавно, в пределах по- и Оже) электронах, несущих информацию о свойствах верхностного слоя ”критической” толщины [10–12]. объема поверхностных слоев толщиной несколько µmи Таким образом, экспериментальные свидетельства су- массивного кристалла толщиной 300 nm соответственно.

ществования поверхностного магнетизма при темпера- Энергия электрона, покинувшего образец, тем меньше, турах выше точки Кюри согласуются с выводами теоре- чем глубже находится атом, в котором этот электрон тических исследований [1–5]. Однако эксперименталь- образовался, поэтому в методе ОГРЭМС для изучения ные наблюдения при температурах ниже точки Нееля свойств поверхностных слоев толщиной менее 300 nm на поверхности макроскопических антиферромагнитных проводится селекция ВЭ по энергиям [17]. Предлокристаллов тонкого слоя, находящегося в парамагнитном женный метод был реализован в виде мессбауэровской состоянии [10–12], не согласуются с теоретическими системы [18]. Закон движения источника гамма-квантов описаниями поверхностного магнетизма [1–5]. Так, из имел треугольную форму. Линейность движения коррекфазовой диаграммы, приведенной на рис. 1, следует, что тировалась как обычной схемой отрицательной обратной поверхность магнетика при температурах ниже точки связи, так и компьютерной коррекцией [18].

Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 470 А.С. Камзин, В.Л. Розенбаум Рис. 2. Мессбауэровские спектры SrFe12O19, полученные при T = 300 K c регистрацией гамма-квантов (a), а также конверсионных и Оже-электронов b.

Таблица 1. Эффективные магнитные поля Heff, изомерные сдвиги и квадрупольные расщепления E для SrFe12Oпри комнатной температуре (изомерный сдвиг определен относительно -Fe) Heff, kOe, mm/s E, mm/s Подрешетки [] [e] [] [e] [] [e] 12k 413 ± 1 415 ± 1 0.36 ± 0.01 0.35 ± 0.01 0.40 ± 0.02 0.40 ± 0.4 f1 498 ± 1 497 ± 3 0.32 ± 0.01 0.31 ± 0.02 0.18 ± 0.02 0.20 ± 0.4 f2 519 ± 2 529 ± 3 0.44 ± 0.01 0.42 ± 0.03 0.44 ± 0.02 0.43 ± 0.2a 510 ± 2 516 ± 7 0.31 ± 0.01 0.30 ± 0.06 0.18 ± 0.02 0.18 ± 0.2b 405 ± 4 400 ± 20 0.37 ± 0.02 0.34 ± 0.07 2.37 ± 0.04 2.25 ± 0.Таблица 2. Эффективные магнитные поля Heff, изомерные сдвиги и квадрупольные расщепления E для SrAl1.8Fe10.2Oпри комнатной температуре (изомерный сдвиг определен относительно -Fe) Heff, kOe, mm/s E, mm/s Подрешетки [] [e] [] [e] [] [e] 12k 415 ± 1 415 ± 1 0.36 ± 0.01 0.36 ± 0.01 0.42 ± 0.02 0.40 ± 0.4 f1 482 ± 2 482 ± 2 0.29 ± 0.02 0.26 ± 0.04 0.18 ± 0.04 0.10 ± 0.4 f2 518 ± 2 513 ± 2 0.44 ± 0.02 0.38 ± 0.02 0.40 ± 0.04 0.20 ± 0.2a 510 ± 2 - 0.31 ± 0.02 - 0.10 ± 0.04 2b 405 ± 4 - 0.29 ± 0.02 - 2.22 ± 0.04 Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. Исследования магнитного состояния поверхности гексагональных ферритов Sr–M... Методом ОГРЭМС были получены экспериментальные спектры в области температур от 300 до 750 K.

Точность поддержания температуры была в пределах ±0.1. На рис. 2 приведен пример спектра SrFe12O19, полученного при комнатной температуре с регистрацией гамма-квантов и вторичных электронов в случае ориентации волнового вектора гамма-квантов параллельно кристаллографической оси c. Мессбауэровские спектры, снятые с регистрацией рентгеновского излучения, несут информацию из слоя толщиной несколько µm, аналогичны гамма-резонансным спектрам, для упрощения восприятия рисунков они не приводятся.

Ионы железа в гексагональных ферритах типа M занимают пять неэквивалентных положений, поэтому мессбауэровский спектр этого соединения в области температур ниже точки Кюри состоит из пяти зеемановских секстиплетов. Такое большое количество спектральных линий значительно ухудшает их разрешение и, следовательно, точность определения параметров сверхтонких взаимодействий. Для повышения разрешения спектральных линий был выбран такой срез кристалла, чтобы волновой вектор гамма-излучения мессбауэровского источника был ориентирован параллельно направлению магнитных моментов в кристалле. В этом случае количество линий на экспериментальном спектре уменьшается, поскольку вторые и пятые линии зеемановских секстиплетов отсутствуют в силу продольного эффекта Зеемана. Из рис. 2 видно, что спектральные линии хоРис. 3. Температурные зависимости эффективных магнитных рошо разрешаются. Это позволило с высокой точностью полей в SrFe12O19 (a) и SrFe10.2Al1.8O19 (b) на ядрах ионов определить параметры сверхтонких взаимодействий.

железа, занимающих неэквивалентные 12k- и 4 f -положения в Из экспериментальных спектров с помощью ЭВМ объеме кристалла (1, 2) и в поверхностном слое толщиной были рассчитаны параметры сверхтонких взаимодей- 200 nm (3, 4), а также интенсивность парамагнитной линии ионов железа, расположенных в объеме (5) и в поверхностном ствий, интенсивности и ширины линий зеемановских слое (6).

секстиплетов. Повышению точности математической обработки спектров способствовали (кроме отмеченного выше отсутствия на спектрах вторых и пятых линий зеемановских секстиплетов) следующие обстоятельства:

Температура перехода в парамагнитное состояние разное количество магнитных связей ионов железа, заниопределялась всеми способами, используемымающих неэквивалентные положения, приводит к тому, ми в мессбауэровской спектроскопии, а именно:

что эффективные магнитные поля на ядрах ионов железа 1) из экспериментальных спектров, снятых в облаотличаются друг от друга, а благодаря квадрупольным сти фазового перехода, определяли спектр, на котором расщеплениям линии секстиплетов существенно сдвигаотсутствует зеемановское расщепление и наблюдаются ются друг от друга.

только квадрупольные линии парамагнитной фазы.

Параметры сверхтонких взаимодействий, рассчитанЗначения температуры, при которой исчезают зеемановные из экспериментальных мессбауэровских спектров ские линии, принимали за точку Кюри; 2) по методу SrFe12O19 и SrFe10.2Al1.8O19, снятых при комнатной темтемпературного сканирования, когда точка перехода пературе, приведены а табл. 1 и 2 соответственно. Веопределяется из температурной зависимости количества личины, приведенные в табл. 1 и 2, хорошо совпадают с квантов, зарегистрированных детектором при движении данными, опубликованными в [19–22].

Pages:     || 2 |



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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.