WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |
Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 12 Высокочастотная ЭПР-спектроскопия купрата германия, легированного кобальтом, © С.В. Демишев, А.В. Семено, Н.Е. Случанко, Н.А. Самарин, А.А. Пронин, Ю. Иногаки, С. Окубо, Х. Ота, Ю. Ошима, Л.И. Леонюк Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, 119991 Москва, Россия Molecular Photoscience Research Center, Kobe University, Kobe 657-8501, Japan Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119899 Москва, Россия Московский физико-технический институт, Долгопрудный, Московская обл., Россия E-mail: demis@lt.gpi.ru (Поступила в Редакцию 26 апреля 2004 г.) В монокристаллах CuGeO3, содержащих 2% примеси Co, в диапазоне частот 60-360 GHz в магнитном поле до 16 T в интервале температур 2-60 K исследованы спектры резонансного магнитопоглощения для случая, когда магнитное поле B параллельно кристаллографической оси a. Найдено, что наряду с резонансом на цепочках Cu2+ в спектрах ЭПР появляется новая, не известная ранее для легированного CuGeO3 линия поглощения, связанная, по-видимому, с ионами Co2+. Количественный анализ спектров показывает, что спин-пайерлсовский переход происходит примерно у 10% цепочек Cu2+, а у оставшихся 90% процентов цепочек спин-пайерлсовское состояние полностью разрушено в результате легирования примесью кобальта.

Полученные результаты демонстрируют значительные отклонения от универсального сценария легирования CuGeO3 и обсуждаются в рамках альтернативных теоретических подходов: квантового критического поведения с учетом теории ЭПР в квазиодномерных системах и трехмерного антиферромагнетика с пониженной вследствие разупорядочения температурой Нееля.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 04-02-16574), ИНТАС 03-51-3036, Минобразования РФ PD02-1.2-335, а также программ Минобразования „Интеграция“ и РАН „Низкоразмерные квантовые структуры“, „Сильно коррелированные электроны в полупроводниках, металлах, сверхпроводниках и магнитных материалах“. СВД благодарен за финансовую поддержку Фонду содействия отечественной науке и Venture Business Laboratory (Kobe University).

1. Введение CuGeO3. При этом в области сосуществования x < xc наблюдаются как мода электронного парамагнитного реЗа время, прошедшее с момента открытия неорга- зонанса на S = 1/2 антиферромагнитных цепочек, так и нического спин-пайерлсовского соединения CuGeO3 [1], моды антиферромагнитного резонанса (АФМР), отвечабыло выполнено значительное число работ, посвящен- ющие 3D неелевскому состоянию [2,7,9,11]. Интересно, ных изучению влияния различных примесей на основное что в ЭПР-спектрах легированных образцов не были состояние этого низкоразмерного магнетика. Оказалось, обнаружены линии, обусловленные собственно легиручто изменение свойств CuGeO3 вследствие легирования ющими примесями в матрице CuGeO3. Таким образом, такими примесями, как кремний [2,3], цинк [4–7], маг- важной характеристикой универсального механизма явний [8,9] и никель [10–12], может быть интерпретирова- ляется „потеря индивидуальных особенностей“ примеси, но в рамках универсальной концентрационной фазовой при которой легирование приводит исключительно к T -x диаграммы, качественно соответствующей расчету, модификации свойств цепочек Cu2+. Следует отметить, выполненному в [13]. Особенностями универсального что рассматриваемое поведение наблюдалось как для сценария легирования являются сосуществование квази- примесей, замещающих германий, например Si, так и одномерного (1D) спин-пайерлсовского и трехмерного для элементов, замещающих медь (Zn, Mg, Ni). Кроме (3D) неелевского состояний в области малой концен- того, единый механизм легирования рассматривался как трации примеси x < xc 2-4% и быстрое уменьшение для магнитных (Ni) [10–12], так и для немагнитных температуры перехода в спин-пайерлсовское состояние примесей (Si, Zn, Mg) [2–9].

TSP(x) с ростом x. В области x > xc спин-пайерлсовское Вместе с тем уже в первых публикациях по проблеме состояние полностью подавляется и наблюдается только легировния CuGeO3 отмечалась специфика поведения переход в антиферромагнитную фазу. различных примесей, в частности значительные отклоС экспериментальной точки зрения указанный резуль- нения от универсального поведения наблюдались для тат был получен путем исследования как статических, примеси марганца [14]. Более поздние исследования так и динамических магнитных свойств легированного выявили новые случаи аномального поведения, не уклаВысокочастотная ЭПР-спектроскопия купрата германия, легированного кобальтом дывающиеся в рамки стандартного сценария. Например кладываемым при синтезе) значением. Этот результат у образцов, легированных Mg, возникал эффект возврата соответствует данным [21], согласно которым для такого (re-entrance) в спин-пайерлсовское состояние в окрест- уровня легирования предел растворимости примеси Co в ности xc [15], который, по-видимому, нельзя объяснить CuGeO3 не достигается. Кроме того, согласно [21], при в рамках теоретического подхода [13]. В рамках [16,17] xCo = 2% имеет место практически полное подавление было показано, что легирование CuGeO3 магнитной при- спин-пайерлосовского перехода с одновременным появмесью железа на уровне x = 1% приводит к подавлению лением сильного парамагнитного вклада, что и обуслокак спин-пайерлсовского, так и антиферромагнитного вило выбор данного состава для детального изучения.

перехода и возникновению квантового критического по- Для исследования спектров резонансного магнитоведения. В этом случае основным состоянием системы поглощения CuGeO3 : Co использовался резонаторный для T 30 K оказывается фаза Гриффитса, для которой ЭПР-спектрометр на частоту /2 = 60 GHz, а в диахарактерна степенная расходимость магнитной воспри- пазоне /2 = 100-360 GHz применялась квазиоптиче0.имчивости вида (T ) 1/T [18,19]. Этот результат, ская методика. В последнем случае при фиксированной по-видимому, означает, что в зависимости от хими- частоте излучения регистрировался сигнал пропускания ческой природы одна и та же концентрация примеси образца CuGeO3 : Co как функция магнитного поля. Как может соответствовать как случаю слабого беспорядка, при измерениях в резонаторе, так и в квазиоптических для которого может быть справедлив универсальный экспериментах одновременно со спектром образца записценарий [13], так и случаю сильного беспорядка, при сывался реперный спектр поглощения органического сокотором дальний магнитный порядок оказывается пол- единения DPPH. Измерения ЭПР-спектров CuGeO3 : Co ностью разрушенным [16,17,20]. были выполнены при ориентации магнитного поля B Поскольку наиболее сильные отклонения от уни- вдоль кристаллографической оси a.

версального поведения были обнаружены для примесей Mn [14] и Fe [16,17,20], актуальным представляется 3. Экспериментальные результаты исследование влияния различных магнитных примесей на физические свойства и основное состояние CuGeO3.

3.1. С п е к т р ы ЭПР, g-факторы и ширины лиЦель настоящей работы заключается в исследовании н и й. Экспериментальный спектр резонансного магнитолегированного кобальтом CuGeO3 методом высокочапоглощения у CuGeO3 : Co образован двумя широкими стотного (/2 >60 GHz) ЭПР. Выбор образцов с примесью Co в качестве экспериментального объекта был обусловлен несколькими причинами. Во-первых, известные из литературы данные [21] о влиянии легирования кобальта на свойства CuGeO3 свидетельствуют о том, что эта магнитная примесь обусловливает возникновение сильного парамагнитного вклада в магнитную восприимчивость, на фоне которого наблюдаются особенности, связанные, по мнению авторов [21], со спинпайерлсовским переходом. В такой ситуации в спектрах ЭПР следует ожидать появления дополнительных линий, обусловленных поглощением на ионах Co в матрице CuGeO3. (Напомним, что отдельный сигнал от легирующей примеси у CuGeO3 ранее не наблюдался).

Во-вторых, представляет интерес сравнить влияние различных примесей подгруппы железа, замещающих медь в цепочках Cu2+ и обладающих различными значениями спина: S = 1 (Ni2+), S = 3/2 (Co2+) и S = 2 (Fe2+). Втретьих, насколько нам известно, сведения об ЭПР спектрах образцов CuGeO3, легированных Co, в литературе отсутствуют.

2. Методика эксперимента Синтез монокристаллов CuGeO3 : Co с расчетной концентрацией xCo = 2% проводился по методике, аналогичной использованной в [21,22]. Качество образцов контролировалось рентгенографически и по спектрам комбинационного рассеяния света. Содержание примеси Рис. 1. Структура спектра пропускания (a) и дисперсионные в образце определялось методами химического анализа кривые (b) при гелиевых температурах для CuGeO3, легирои в пределах ошибки совпадало с номинальным (за- ванного Co.

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 2166 С.В. Демишев, А.В. Семено, Н.Е. Случанко, Н.А. Самарин, А.А. Пронин, Ю. Иногаки...

Рис. 2. Влияние температуры на резонансы 1 (Cu2+) и 2 (Co2+). Стрелками отмечено положение резонанса 1 при различных температурах, а также линия DPPH. Сплошные линии соответствуют аппроксимации лоренцианами (см. текст).

линиями, которые удается полностью разрешить для Резонансу 2 на частоте 315 GHz отвечают меньшая частот /2 >100 GHz (пример спектра при T = 4.2K амплитуда и соответственно худшее отношение сигпоказан на рис. 1, a). Найдено, что частоты 1,2 мод 1 и 2 нал / шум (вставка на рис. 2), вследствие чего точв первом приближении линейно связаны с резонансным ность определения параметра линии, из аппроксимамагнитным полем Bres: 1,2 Bres (рис. 1, b). Такое пове- ции модельной лоренцовской функцией, существенно дение свидетельствует о том, что как особенность 1, так уменьшается. Поэтому для резонанса 2 мы получали и особенность 2 нельзя связать с антиферромагнитым данные I(T ) путем прямого интегрирования и затем резонансом, ожидаемым в рамках стандартного меха- оценивали w(T ), предполагая эту линию поглощения низма сосуществования [13], поскольку для мод АФМР лоренцовской. Отметим, что, ввиду заметной ширив CuGeO3 дисперсионные кривые (Bres) существенно ны линии 2, точность определения резонансного поля нелинейны, причем (Bres = 0) = 0 [2,7,11]. в этом случае была недостаточной для обсуждения температурной зависимости этого параметра (вставка Помимо изучения спектров при различных частотах на рис. 2). Кроме того, температурный диапазон, в в области гелиевых температур для частоты 315 GHz котором наблюдалась линия 2, был заметно меньше, было выполнено исследование влияния температуры чем в случае резонанса 1, и был ограничен значениями на параметры линий 1 и 2. Как видно из рис. 2, в 2 T 20 K.

случае резонанса 1 понижение температуры приводит к уменьшению резонансного поля и одновременно к Исходя из ЭПР-подобного поведения дисперсионсильному уширению линии поглощения. При этом во ных кривых 1,2 Bres для идентификации резонансов всей исследованной области температур резонанс 1 со- целесообразно рассмотреть отвечающие им значения храняет лоренцовскую форму. По результатам подгонки g-факторов (рис. 3). Видно, что для резонанса 1 величиэкспериментальных кривых пропускания лоренцианом на g-фактора близка к значению g 2.15, характерному (сплошные линии на рис. 2) в диапазоне 2 T 60 K для ЭПР цепочек Cu2+ в геометрии B a [2]. Другимарбыли рассчитаны температурные зависимости ширины гументом, свидетельствующим в пользу такой интерпрелинии w(T), резонансного поля Bres(T ) и интегральной тации, является лоренцовская форма линии, характерная интенсивности I(T). в CuGeO3 для ЭПР на цепочках Cu2+ [16,17,23,24].

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. Высокочастотная ЭПР-спектроскопия купрата германия, легированного кобальтом у CuGeO3 : Co, позволяют предположить, что экспериментальные спектры (рис. 1, 2) обусловлены ЭПР на цепочках Cu2+ (мода 1) и ЭПР на ионах примеси Co2+ в кристаллической структуре CuGeO3 (мода 2).

Интересно, что температурная зависимость g-фактора для цепочек Cu2+ указывает на существование температурной области, T TG, где их магнитные свойства претерпевают заметные изменения (вставка на рис. 3).

Для T TG = 35 K g-фактор слабо зависит от температуры: g(T ) const, в то время как в интервале 30-35 K g-фактор резко изменяется. Далее с уменьшением температуры в области T < TG g-фактор продолжает увеличиваться (вставка на рис. 3).

Различная физическая природа резонансов 1 и Рис. 3. g-факторы у CuGeO3 : Co. На вставке в увеличенном отчетливо проявляется в температурных зависимостях масштабе показана температурная зависимость g-фактора для ширин линий w(T ) (рис. 4). Если для резонанса 2 (Co2+) резонанса на цепочках Cu2+.

ширина линии увеличивается с температурой в полном соответствии с классической теорией спиновой релаксации [26], то для резонанса 1 (Cu2+) в интервале T 60 K наблюдается аномальный рост w(T ) при понижении температуры. В случае квазиодномерных антиферромагнитных S = 1/2 цепочек Cu2+ низкотемпературное уширение линии ЭПР может отражать влияние вмороженного поля [24] или приближение к точке антиферромагнитного перехода [27] (более подробно природа данного эффекта обсуждается в разделе 4).

Таким образом, экспериментальные данные рис. 1–свидетельствуют о том, что легирование CuGeO3 на уровне 2% Co приводит к появлению линии поглощения, возможно связанной с ЭПР на ионах Co2+ в матрице CuGeO3. Одновременно примесь Co модифицирует свойства цепочек Cu2+, что проявляется в аномальной температурной зависимости ширины линии (у чистого Рис. 4. Температурная зависимость ширины резонансных CuGeO3 ширина линии ЭПР убывает при понижении линий у CuGeO3 : Co. На вставке приведен анализ ширины температуры [2,7,23]).

линии в модели трехмерного антиферромагнетика (см. текст).

3.2. Температурные и полевые зависимости интегральной интенсивности и намагн и ч е н н о с т и. Поскольку спектры резонансного поглоДля резонанса 2 наблюдаемое значение g-фактора щения микроволнового излучения у CuGeO3 : Co обраоказывается приблизительно в 2 раза больше по сравнезованы, по-видимому, двумя ЭПР-модами, представляет нию с резонансом 1 и составляет g 4.7 ± 0.2 (рис. 3).

интерес проанализировать температурные и частотные Известно, что примесь кобальта замещает медь в (полевые) зависимости интегральной интенсивности.

Pages:     || 2 | 3 | 4 |



© 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.