WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. 10 Висмут-индуцированное усиление магнитооптики ферритов-гранатов.

Теоретический анализ © А.С. Москвин, А.В. Зенков Уральский государственный университет им. А. М. Горького, 620083 Екатеринбург, Россия E-mail: andreas@r66.ru (Поступила в Редакцию 1 октября 2001 г.

В окончательной редакции 19 ноября 2001 г.) В рамках концепции переходов с переносом заряда на основе существующих качественных представлений построена полуколичественная модель, объясняющая резкое возрастание циркулярной магнитооптики ферритов-гранатов R3Fe5O12 при наличии в них примеси ионов Bi3+, Pb2+ увеличением кислородного вклада в константу спин-орбитальной связи комплексов (FeO6)9-, (FeO4)5- (основных магнитооптически активных центров ферритов-гранатов). Увеличение достигается за счет гигантской одноэлектронной константы спинорбитального взаимодействия 6p-орбиталей ионов Bi3+, Pb2+, ковалентно примешивающихся к кислородным 2p-орбиталям. Влияние замещения не сводится просто к возрастанию спин-орбитального взаимодействия на кислороде, а выражается также в возникновении эффективной анизотропной тензорной добавки к спинорбитальному взаимодействию и циркулярной магнитооптике. Сделаны оценки соответствующих вкладов в магнитооптику гранатов. Проведено компьютерное моделирование влияния неоднородности распределения висмута на магнитооптику граната Y3-x Bix Fe5O12.

Анализ имеющихся экспериментальных данных по магнитооптике гранатов свидетельствует в пользу предлагаемой теоретической модели.

Работа частично поддержана грантом CRDF NREC-005.

Как известно, циркулярная магнитооптика ферритов- далеко ( 0 4.3eV [4]) от той области 0 3eV, гранатов (ФГ) R3Fe5O12 резко усиливается уже при где влияние примеси Bi3+ уже весьма заметно1 (в ионе сравнительно малой примеси изоэлектронных ионов Pb2+ соответствующий переход лежит значительно ниже Bi3+, Pb2+, замещающих в решетке ФГ редкоземель- по энергии).

ные (R) ионы. Попытки объяснения данного фено- Гораздо более перспективна гипотеза, высказанная, мена предпринимались неоднократно [1–3], но вопрос в частности, в [12] (правда, лишь на качественном по-прежнему сохраняет актуальность. Так, например, уровне) и связывающая усиление циркулярной магнитов [1] в случае свинецсодержащего иттриевого ФГ оптики в Bi-, Pb-замещенных ФГ с ковалентным примев качестве возможных причин этого явления назвашиванием 6p-орбиталей ионов Bi3+, Pb2+ (характеризуны: a) внутриатомный межконфигурационный переход ющихся гигантскими значениями одноэлектронной конs2-sp(1S0-3P1) в ионе Pb2+; b) фотоиндуцированный станты спин-орбитального взаимодействия 6p, равной обмен электроном между ионами Fe3+ и Fe4+ (последсоответственно 17 000 и 14 500 cm-1 [2] для 6p-оболочек ний возникает как зарядовая компенсация ионов Pb2+);

ионов Bi3+, Pb2+)2 к кислородной 2p-орбитали.

c) переход с переносом заряда между катионом Pb2+ В развитие этой идеи нами простроена изложенная и анионами.

далее полуколичественная модель. Настоящая статья Важнейшим недостатком перечисленных гипотез является логическим продолжением более ранней рабоad hoc является их неприменимость к объяснению ты [5].

Bi-индуцированного эффекта возрастания циркулярной магнитооптики, который, несомненно, должен иметь 1. Спин-орбитальное взаимодействие общее происхождение с Pb-индуцированным. Так, непригодность гипотезы b для „висмутового“ случая очевидпри наличии примеси висмута на. Механизм c, существенным образом связанный со структурой энергетических уровней ионов в кристалле, Благодаря эффектам перекрывания электронных ободолжен был бы давать различные результаты для Bi- лочек 2p(O2-)-6p(Bi3+) и виртуального переноса и Pb-замещенных гранатов. Между тем анализ разност- 2p-электрона иона O2- на пустую 6p-оболочку иона ных эффектов, полученных вычитанием из спектров Таким образом, в ближнем ультрафиолете 0 3-4eV вклад Bi(Pb)-замещенного граната соответствующего спектра этого перехода в магнитооптику может проявиться исключительно чистого граната, показывает, что влияние примесей этих в монотонном изменении интенсивности линий спектра, обязанных своим происхождением иным механизмам, — изменении тем более ионов на спектральные аномалии циркулярной магнизначительном, чем ближе соответствующий пик к линии собственного тооптики в ближней ультрафиолетовой области пракперехода в висмуте. Между тем реально такая монотонность не имеет тически тождественно. Данное обстоятельство является места.

и серьезным аргументом против гипотезы a, поскольку В дальнейшем для краткости речь идет только о висмуте, хотя все собственный переход в ионе Bi3+ расположен слишком сказанное в равной мере относится и к случаю свинца.

6 1812 А.С. Москвин, А.В. Зенков висмута волновая функция внешних 2p-электронов иона причем O2-, ближайшего к иону Bi3+, получает примесь его 2p = (2 + )6p. (7) 6p-состояний При разумных оценочных значениях | | = || 0. 2pm 2pm = 2pm - 6pm |2pm 6pm, (1) (см. раздел 3) в расчете на одни ион Bi3+ соm гласно (7) получаем 2p 4000 cm-1. Эта велигде 2p, 6p — атомные волновые функции. Интеграл чина на порядок превышает одноэлектронную кон 2p-6p-перекрывания 6pm |2pm = 2pm |6pm предстанту спин-орбитального взаимодействия для железа ставим в виде (3d 420 cm-1 [7]) и позволяет „кислородному“ вкладу в Vso конкурировать с „железным“ (см. раздел 2).

1 k 2pm |6pm = (-1)1-m kCk(R). (2) an Vso в (4) есть анизотропная добавка к Vso, имеющая -m q m q kq тензорный характер и представимая в неприводимой...

тензорной форме в виде свертки сферического тензора Здесь —3 j-символ Вигнера [6]; Ck — сферический...

q тензор ранга k (обязательно четный индекс с возможны- с тензорным произведением операторов орбитального и спинового моментов ми значениями 0 и 2; см. раздел 4), 4 2 an Ck = Ykq, Vso = ( - ) C2(R) · [l · s]2 6p. (8) q 2k + 1 an где Ykq — сферическая функция; R — орт направления В декартовых координатах выражение для Vso принисвязи O–Bi; k — параметр ковалентности.

мает форму an Большей наглядностью обладают линейные комбина Vso = i jlis, j ции 0, 2, соответствующие параметрам ковалентности причем эффективный тензор спин-орбитального взаидля - и -связи, модействия i j —аналог константы в традиционной 1 записи Vso = (l · s) — имеет вид 6pz |2pz 6p0|2p0 = 0 - 2, 3 1 i j = ( - )6p RiR - i j.

j 6px |2px 6p ± 1|2p ± 1 = 0 + 2.

3 Благодаря эффектам ковалентности виртуальный пе2. Микроскопические механизмы реход кислородного 2p-электрона на пустую Bi 6p-оболочку с интенсивным спин-орбитальным взаимомагнитооптики в ферритах-гранатах действием Таким образом, влияние ионов Bi3+ на циркулярVso = 6p (-1)l- (3) ную магнитооптику ФГ существенным образом связано =с кислородными 2p-состояниями в комплексах (FeO6)9-, (скалярное произведение орбитального и спинового мо(FeO4)5- — основных магнитооптически активных цен ментов l, записано в сферических компонентах [6]) трах ФГ.3 Это служит веским аргументом в польобусловливает усиление Vso и на ионе кислорода. Однако зу концепции переходов (типа A1g-6T1u в (FeO6)9данным „тривиальным“ эффектом влияние примеси висили A1-6T2 в (FeO4)5-) с переносом заряда лиганд мута не ограничивается: претерпевает изменение сама (ион O2-) центральный Fe3+-ион комплекса [8–10] структура спин-орбитального взаимодействия, приобрекак основного источника формирования наблюдаемых тающего анизотропный тензорный характер.

магнитооптических свойств ферритов, поскольку лишь Рассмотрение матричного элемента 2pm1|Vso|2pmв данном подходе естественно учитывается роль лигандоператора (3) на гибридных волновых функциях 2pm (1) ных состояний в магнитооптике ферритов.

приводит к эффективному спин-орбитальному взаимоСостояние комплекса с переносом заряда характеридействию на кислороде зуется наличием двух незаполненных оболочек: лигандeff iso an ной 2p- и 3d-оболочки, и соответственно эффективная Vso (2p) =Vso + Vso + Vso, (4) константа спин-орбитальной связи для комплекса причем входящие в (4) слагаемые имеют следующий содержит два слагаемых смысл:

Vso = 2p(l · s)(5) = (2p) +(3d). (9) — обычное (имеющееся и в отсутствие примеси висiso Значения для различных состояний с переносом заряда мута) спин-орбитальное взаимодействие; Vso есть изов комплексах (FeO6)9-, (FeO4)5- приведены в табл. 1;

тропная добавка к Vso за счет Bi-индуцированного приращения 2p эффективной константы спин-орбитального Помимо рассматриваемого теоретически возможен и процесс 3d(Fe3+)-6p(Bi3+)-гибридизации, однако в качестве промежуточного взаимодействия для 2p-оболочки, звена здесь снова выступает ион кислорода; вклад данного механизма iso Vso = 2p(l · s), (6) имеет порядок малости.

Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. Висмут-индуцированное усиление магнитооптики ферритов-гранатов. Теоретический анализ Таблица 1. Характеристики состояний и переходов с переносом заряда в октаэдрических (№1-6) и тетраэдрических (№7-13) комплексах ферритов-гранатов Энергия, eV Переход Эффективный Эффективная № Сила осцилля- Полуширина с переносом фактор константа спин-орбиОбработка спектров п/п тора f, 10-3 линии, eV заряда [9] Ланде gL[9] тальной связи [9] СП–XДВ-расчет [9] Y3-xBixFe5O12 [2] 1 1 1 1 t2u t2g - - 3d + 2p 3.1 2.78 1.5 0.2 4 10 1 1 2 t1u() t2g 1 - - 3d + 2p 3.9 3.6 40 0.2 4 10 1 3 t2u eg 0 + - 2p 4.4 4.3 60 0.4 4 t1u( ) t2g 1 + 0 - 3d 5.1 4.8 50 0.2 1 5 t1u() eg 0 - 2p 5.3 - - 4 6 t1u( ) eg 0 + 0 0 + 0 6.4 - - 7 1t1 2e 0 + 0.30 - 0.062p 3.4 3.4 10 0.8 6t2 2e -0.01 + 0.05 0.0023d - 0.012p 4.3 4.6 40 0.9 1t1 7t2 0.42 - 0.41 -0.093d + 0.082p 4.5 - - 10 5t2 2e -0.07 + 0.13 0.023d - 0.032p 5.0 - - 11 6t2 7t2 -0.43 + 0.16 0.093d - 0.032p 5.4 5.1 185 0.12 1e 7t2 -0.42 + 0.11 0.093d - 0.022p 5.6 - - 13 5t2 7t2 -0.49 + 0.24 0.103d - 0.052p 6.0 - - Орбитальные факторы Ланде представлены в виде суммы 3d-вклада (первое слагаемое) и лигандного 2p-вклада.

Приведены данные для Y3Fe5O12.

Ненулевой вклад в циркулярную магнитооптику состояние с переносом заряда, соответствующее данному переходу, вносит только в механизме смешивания [10].

Переход не учитывается при моделировании экспериментальных спектров, так как лежит за пределами области измерений (№ 5, 6, 12, 13) или слишком тесно примыкает к уже учтенному переходу, так что их линии практически сливаются (№9, 10).

методика вычислений описана в [9]. Приращение кон- В случае же ферромагнитного вклада те переходы, iso станты 2p за счет Vso (6), (7) приводит и к воз- для которых в возбужденном состоянии с переносом растанию кислородного вклада (2p) (9).4 Тем самым заряда содержит только кислородную часть (2p) (наувеличивается так называемый ферромагнитный вклад пример, переходы № 3, 5 в комплексе (FeO6)9-, табл. 1), в вектор гирации g ФГ (первые два слагаемых в ни- не будут вносить ощутимого вклада в g (так как (2p) жеследующей формуле), пропорциональный векторам существенно меньше, чем (3d)); в Bi-замещенном ФГ ферромагнетизма ma, md для a- и d-подрешеток граната благодаря многократному увеличению (2p) такие пересоответственно и связанный по своему происхождению ходы „возгорят“.

с орбитальным расщеплением и смешиванием [10] возНаоборот, на те переходы с переносом заряда, бужденный T1u(6T2)-состояний с переносом заряда под в конечном состоянии которых значение формидействием Vso, руется только 3d-подсистемой молекулярной орбитали комплекса (например, переход № 4 в комплексе g = Aama + Admd + CH (10) (FeO6)9-, табл. 1), замещение не окажет существенного влияния.

(Aa, Ad, C — коэффициенты пропорциональности).

Приведем здесь необходимую для дальнейшего расС другой стороны. последнее слагаемое в (10) —посмотрения (разделы 3, 4) фомрулу для ферромагнитного левой вклад в вектор гирации, пропорционалный внешвклада (10) в вектор гирации ФГ за счет переходов с пенему магнитному полю H и обязанный своим происреносом заряда в окта- и тетракомплексах (индексы a хождением орбитальному расщеплению и смешиванию и d соответственно) в механизме расщепления [10] возбужденных T1u(6T2)-состояний с переносом заряда за счет орбитальной части зеемановского взаимодействия e2LNa,d j F1(, 0 j, ) j VZ = µBgL(L · H), — влиянию примеси висмута не ga,d = 2 S f. (11) j me0 j 0 j подвержен. Однако в формировании полевого вклада в g j=6T1u,6Tроль кислородных состояний изначально велика (эффективные орбитальные факторы Ланде gL(2p) и gL(3d) Здесь L =(n2 + 2)/3 — фактор Лорентц–Лоренца, j сравнимы по величине; см. табл. 1).

Na,d — концентрация ионов Fe3+ в a- иd-позициях, — константа спин-орбитальной связи в j-м возбужденном Заметим, что одноэлектронная константа 2p и относящаяся состоянии с переносом заряда, f — сила осциллятора j к многоэлектронному состоянию комплекса величина отнюдь не эквивалентны. перехода, S — средний спин. Дисперсионная функФизика твердого тела, 2002, том 44, вып. 1814 А.С. Москвин, А.В. Зенков ция F1 имеет вид 2( + i ) F1(, 0, ) =, ( + i )2 - 0 — резонансная частота, — полуширина линии перехода.

Полевой вклад в g в механизме расщепления выглядит как e2LNa,d j F1(, 0 j, ) j ga,d = 2 µBgLH f.

j me0 j 0 j j=6T1u,6T(12) j причем gL есть эффективный орбитальный фактор Ланде в j-м состоянии с переносом заряда.

Наконец, отметим возможность влияния висмута на квадратичную (по намагниченности) магнитооптику гранатов. Во втором порядке теории возмущений вклад в тензор поляризуемости комплекса (FeO6)9- за счет орбитального расщепления возбужденных T1u-состояний спин-орбитальным взаимодействием имеет вид [11] j 1 e2( )2 f j kl = SkSl - S(S + 1) me0 j 2 j=6T1u 2F2(, 0 j, ) j, (13) 0 j причем дисперсионная функция Спектральная зависимость действительной и мнимой частей z компоненты вектора гирации в гранате Y2.2Bi0.8Fe5O12: экспеF2(, 0, ) =.

риментальные данные [2] (жирные линии) и результаты их ( + i )2 - модельной обработки (тонкие линии).

Таким образом, благодаря Bi-индуцированному возj растанию константы спин-орбитальной связи комПрименение формул (11)–(13) требует знания сиплекса магнитное линейное двупреломление наряду с лы осцилляторов f переходов с переносом заряда.

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.