WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 11 Магнитный фазовый переход в антиферромагнетике CoO, наноструктурированном в пористом стекле © И.В. Голосовский, И. Мирбо, Ж. Андре, М. Товар, Д.М. Тоббенс, Д.А. Курдюков, Ю.А. Кумзеров Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова Российской академии наук, 188300 Гатчина, Ленинградская обл., Россия Laboratoire Lon Brillouin, CE-Saclay, F-91191, France Hahn–Meitner–Institut, D-14109 Berlin, Germany Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия E-mail: golosov@mail.pnpi.spb.ru (Поступила в Редакцию 3 февраля 2006 г.

В окончательной редакции 26 февраля 2006 г.) Методом дифракции нейтронов показано, что в антиферромагнетике CoO, наноструктурированном в пористом стекле, возникает дальный магнитный порядок, причем температура Нееля и усредненный по объему магнитный момент/ион оказываются меньше, чем в обычном образце.

Работа поддержана РФФИ (грант № 04-02-16550, SS-1671-2003.2) и INTAS 2001-0826.

PACS: 75.75.+a, 77.80.Bh, 61.12.Ld 1. Введение формированием „поверхностного слоя“ с разупорядоченными моментами.

Не вызывает сомнения, что исследование свойств В отличие от разрывного перехода первого рода, наноструктурированных материалов (нанокомпозитов) наблюдаемого в массивном образце, магнитный порядок является одной из актуальных задач современной физи- в наноструктурированном MnO возникает в результате ки твердого тела. Это обусловлено, прежде всего, уни- перехода второго рода при большей температуре Нееля.

кальными свойствами новых материалов с точки зрения При этом температурная зависимость структурных исих прикладного применения, например, в устройствах кажений, связанных с магнитным упорядочением в усломагнитной памяти большой емкости, в СВЧ-устройствах виях „ограниченной геометрии“, оказалась отличной от с минимальными потерями. В то же время физические искажений, обычно наблюдаемых в массивном образце.

исследования хорошо известных материалов, ограничен- Оксид кобальта CoO, как и MnO, занимает важное ных малыми размерами, в так называемых условиях место в исследованиях магнетизма. Эти оксиды с гране„ограниченной геометрии“ важны для фундаментальной центрированной кубической структурой имеют чередуюнауки.

щиеся ферромагнитные подрешетки с противоположным Магнитные нанокомпозиты получаются путем синте- направлением спинов. Однако, если в MnO магнитные за магнетиков внутри различных нанопористых сред, моменты лежат в плоскости (111), в CoO они наклонены в частности в нанопористом стекле (vycor) [1]. Та- к этой плоскости под небольшим углом около 10 [3–5].

кая матрица представляет собой аморфный кремнезем Разная магнитная симметрия приводит к разному магSiO2 со случайной системой взаимопроникающих пор. нитному поведению: если в MnO магнитный порядок Антиферромагнитные оксиды 3d-металлов могут быть появляется в результате разрывного перехода первого достаточно легко синтезированы в заметном количестве, рода, в CoO наблюдается непрерывный магнитный пепоскольку хорошо смачивают материал матрицы. реход второго рода [6,7]. Следует заметить, что авторы Первые нейтронографические исследования антифер- работы [8], опираясь на наблюдаемое в эксперименте ромагнитного MnO, синтезированного в пористом стек- понижение кубической симметрии до моноклинной, приле, показали существование дальнего магнитного по- шли к выводу о том, что магнитный переход в CoO, рядка в наночастицах [2]. Тип порядка и сопровождаю- скорее, должен быть разрывным, как и в MnO, но с щие структурные искажения в условиях „ограниченной очень маленьким скачком, который экспериментально геометрии“ оказались такими же, как и в массивном очень трудно наблюдать.

образце. Однако средний по объему магнитный момент Поскольку в гранецентрированной решетке магнитв наноструктурированном MnO был заметно меньше, ные ионы Mn++ фрустрированы в первой координациончем соответствующий момент в массивном образце, ной сфере, дальний магнитный порядок стабилизируется кроме того, магнитный порядок наблюдался в области, структурными искажениями. В MnO наблюдается ромменьшей, чем размеры наночастицы, что объясняется бодрическое (тригональное) искажение кристаллической Магнитный фазовый переход в антиферромагнетике CoO, наноструктурированном в пористом стекле решетки, тогда как в CoO искажение тетрагональное, сопровождаемое слабым моноклинным искажением [8].

Наконец в MnO орбитальный магнитный момент отсутствует, в то время как в CoO вклад орбитального момента значителен [9,10].

Наноструктурированные оксиды переходных металлов, и в частности CoO, давно являются объектами интенсивных исследований. Однако CoO используется либо в качестве антиферромагнитного слоя в многослойных гетероструктурах, например Fe3O4/CoO [11], CoO/NiO [12] и CoO/SiO2 [13,14], либо в виде однослойных пленок [15]. Такие структуры можно рассматривать как магнетики в „ограниченной геометрии“, однако их магнитное поведение существенным образом определяется обменным взаимодействием с соседним слоем и анизотропией пленки.

В настоящей работе сообщается о результатах нейтронографических исследований наноструктурированного антиферромагнетика CoO, синтезированного внутри пористой матрицы в виде отдельных, слабо связанных наночастиц с топологией, существенно отличающейся от топологии пленок или сверхрешеток.

Рис. 1. Нейтронограмма CoO, наноструктурированного в пористом стекле. 1 — наблюдаемый профиль, 2 — расчетный профиль. В нижней части рисунка показана нейтронограмма 2. Эксперимент пористого стекла без CoO в меньшем масштабе. Измерения на дифрактометре G4-1 при температуре 10 K.

Оксид CoO был синтезирован внутри матрицы из аморфного SiO2 с системой взаимопроникающих пор с узким распределением диаметров 70(3) химическим методом из раствора нитрата кобальта. Поскольку с внедренным CoO. Поскольку диффузное рассеяние от матрица представляет крупные кусочки стекла, оксид аморфного CoO отличается от диффузного рассеяния кобальта в обычном состоянии, который может остаться на пористом стекле, можно сделать вывод о том, что на поверхности, легко удаляется. Это гарантирует, что аморфного CoO практически нет. Количество примеснаблюдаемые брэгговские рефлексы обусловлены толь- ной фазы Co3O4 (соответствующее отражение показано ко наноструктурированным CoO.

стрелкой на рис. 1) также незначительно и не превышает Оксид CoO плохо смачивает окись кремния, поэтому нескольких процентов.

количество, которое может быть внедрено в нанопоры, Профильный анализ нейтронограммы соответствует незначительно и дифракционный сигнал очень слаб.

стехиометрическому CoO с точностью 1-2 процента.

Поэтому для измерения антиферромагнитных рефлекСледов кристаллической текстуры не обнаружено. Насов, которые возникают на малых углах дифракции, мы блюдаемые дифракционные рефлексы оказались заметиспользовали светосильный дифрактометр G6-1 Лабоно уширенными по сравнению с разрешением приборатории Леона Бриллюэна с большой длиной волны ра. Мы не увидели какого-либо заметного изменения падающих нейтронов (4.73 ). Однако при такой длине ширины рефлексов в единицах переданного импульса.

волны мы не могли измерить достаточного количества Это означает, что уширение обусловлено главным обядерных рефлексов. Поэтому также был использован разом размерным эффектом. Поскольку наблюдаемые дифрактометр G4-1 Лаборатории Леона Бриллюэна и дифракционные пики симметричны, наночастицы можно дифрактометр E9 Института Hahn–Meitner с меньшими рассматривать в среднем как изотропные объекты.

длинами волн нейтронов, 2.43 и 1.80 соответственно.

Усредненный по объему диаметр наночастицы CoO, рассчитанный из уширения ядерных рефлексов, составил 100(5), что больше, чем средний диаметр пор 70.

3. Результаты и обсуждение Это означает, что в случае CoO, как и в случае других композитов на основе пористого стекла [2,16], кристалПоявление брэгговских рефлексов на нейтронограмме пористого стекла с внедренным CoO (рис. 1) свидетель- лизация внутри матрицы распространяется по крайней ствует о кристаллизации CoO внутри нанопор. Аморф- мере на несколько смежных пор, т. е. наночастицы имеют ная окись кремния, составляющая материал матрицы, сложную, дендритную форму. Следует заметить, что, дает только диффузное рассеяние, которое показано в поскольку CoO смачивает стеклянную матрицу заметно нижней части рис. 1 в уменьшенном масштабе. Это рас- хуже, средний диаметр наночастиц оказался меньшим, сеяние практически повторяет профиль нейтронограммы чем у наночастиц MnO со средним диаметром 150.

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 2012 И.В. Голосовский, И. Мирбо, Ж. Андре, М. Товар, Д.М. Тоббенс, Д.А. Курдюков, Ю.А. Кумзеров Тетрагональное искажение (a-c)/c (здесь a и c — параметры решетки), измеренное при низких температурах, в наноструктурированном CoO составляет 0.0114(7), что совпадает с величиной, измеренной для массивного образца [8]. Наблюдаемое моноклинное искажение в 100 раз слабее, чем тетрагональное искажение и находится за пределами точности нашего эксперимента. Решеточный параметр 4.259(3) соответствует решеточному параметру в массивном образце.

При низких температурах наблюдается система магнитных отражений с полуцелыми индексами, что соответствует антиферромагнитному порядку типа II в гранецентрированной решетке [17], который идентичен порядку в обычном образце CoO [3,4]. Из профильного анализа нейтронограмм следует, что магнитные моменты составляют угол 9.5 с плоскостью (111), что согласуется с литературными данными для массивного образца [5]. Усредненная по объему величина магнитноРис. 2. Температурная зависимость магнитного момента (1) го момента при 10 K оказалась равной 2.92(2) µB/ion, что и его аппроксимация степенной функцией (2). На вставке заметно меньше, чем момент 3.80(1) µB/ion в обычном показана температурная зависимость m/m0 в логарифмической образце CoO [5]. Подобный эффект наблюдался в MnO, шкале. Заметное отклонение двух точек, самых близких к TN, наноструктурированном в разных пористых средах, и обусловлено вкладом квазиупругого рассеяния.

объяснялся разупорядочением моментов на поверхности наночастиц [2,18].

Несмотря на богатую историю исследований CoO, данные о его критическом поведении весьма противоре- перехода по сравнению с массивным образцом при чивы. Этот оксид традиционно рассматривают как клас- толщинах порядка 40. Хотя в области 100 изменение сический пример соединения с большим орбитальным температуры Нееля не превышает ошибку измерений, моментом. Поэтому его магнитное поведение должно по-видимому, для наночастиц CoO меньшая температура следовать предсказаниям трехмерной модели Изинга с Нееля по сравнению с массивным образцом не зависит критическим индексом = 0.312 (или 5/16), что и было от топологии среды и представляется общим явлением.

показано измерениями теплоемкости [19]. Измерения На температуру магнитного фазового перехода в двулучепреломления [20] дают близкую величину крити„ограниченной геометрии“ влияет ряд конкурирующих ческого индекса = 0.29, тогда как нейтронная дифракфакторов. В частности, хорошо известно, что ограниция на монокристалле показывает меньшую величину чение длины корреляции размерами наночастицы при критического индекса = 0.25 [6].

приближении к переходу сверху ведет к уменьшеНа рис. 2 показана температурная зависимость нию TN [14,22]. В то же время спиновый порядок, магнитного момента m для наноструктурированного который, очевидно, сохраняется в „ядре“ наночастицы CoO, полученная из интенсивности магнитных рефлеки обусловливает появление брэгговских магнитных ресов. Мы аппроксимировали эту зависимость законом флексов, на поверхности существенно разрушен. Следоm(T ) m0(1-T /TN) в области приведенных темперавательно, чем больше спиновый беспорядок в поверхтур 0.73 1. Поскольку существует заметная корреностном слое, тем меньше результирующее обменное ляция между и TN, мы искали минимум -квадрат взаимодействие и ниже температура перехода.

функционала, фиксируя TN с шагом 0.5 градуса.

Локальные нарушения симметрии в наночастицах моИзмеренная величина TN превышает величину 0.25(2), гут вызвать и обратный эффект — повышение темпераполученную нейтронной дифракцией для обычного обтуры перехода. Понижение симметрии на поверхности разца [6]. Очевидно, что статистической точности недоможет привести к появлению нового некритического статочно для однозначного заключения, хотя увеличение магнитного параметра порядка, который в массивном критической экспоненты в наноструктурированных объобразце запрещен. Этим параметром может быть слабый ектах является хорошо известным размерным эффектом ферромагнитный момент, возникающий из-за нескомпен„округления“ фазового перехода [21].

сированности решеток [23] и/или нарушения локальной Температура Нееля для наноструктурированного CoO магнитной симметрии. Можно показать, что в рамTN = 278.0(5) K оказывается меньше по сравнению с величиной 289.0(1) K для массивного образца [6]. Из- ках простой теории Ландау тройное взаимодействие некритического параметра с критическими структурным мерения температуры Нееля по пику температурной зависимости восприимчивости в нанометровых пленках и магнитным параметрами порядка может привести к CoO/SiO2 [13,14] показывают понижение температуры увеличению температуры перехода [18].

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. Магнитный фазовый переход в антиферромагнетике CoO, наноструктурированном в пористом стекле Хорошо известно, что внутренние напряжения вслед- [7] D. Mukamel, S. Krinsky. Phys. Rev. B 13, 5065 (1976).

[8] W. Jauch, M. Reehuis, H.J. Bleif, F. Kubanek, P. Pattison.

ствие дефектности структуры или по другим причинам Phys. Rev. B 64, 052 102 (2001).

ведут к повышению температуры перехода. В частности, [9] W. Neubeck, C. Vettier, K.-B. Lee, F. de Bergevin. Phys.

влияние внешнего давления на температуру перехода Rev. B 60, R9912 (1999).

для обычного CoO экспериментально измерено и со[10] C.F.J. Flipse, C.B. Rouwelaar, F.M.F. de Groot. Eur.

ставляет 0.60/Kbar [24]. В случае наночастиц CoO и Phys. J. D 9, 479 (1999).

MnO в пористом стекле мы не обнаружили каких-либо [11] P.J. van der Zaag, Y. Ijiri, J.A. Borchers, L.F. Feiner, заметных внутренних напряжений, т. е. этот фактор не R.M. Wolf, J.M. Gaines, R.W. Erwin, M.A. Verheijen. Phys.

играет роли.

Rev. Lett. 84, 6102 (2000).

Удивительно, но для наночастиц MnO, структуриро[12] M.J. Carey, A.E. Berkowitz, J.A. Borchers, R.W. Erwin. Phys.

ванных в пористых стеклах с разным диаметром пор [2] Rev. B 47, 9952 (1993).

или в матрицах канального типа [18], температура пере- [13] Y.J. Tang, D.J. Smith, B.L. Zink, F. Hellman, A.E. Berkowitz.

Phys. Rev. B 67, 054 408 (2003).

хода хотя и зависит от размера пор, но всегда остается [14] T. Ambrose, C.L. Chien. Phys. Rev. Lett. 76, 1743 (1996).

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.