WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 26 | 27 || 29 | 30 |   ...   | 43 |

266 Н. Т. Данг, Д. П. Козленко, С. Е. Кичанов, Б. Н. Савенко Магнитные свойства манганитов определяются балансом двух конкурирующих взаимодействий двойного обмена, связанного с выигрышем в кинетической энергии за счет переноса делокализованных eg электронов в цепочках Mn3+–O2-–Mn4+ и способствующего ферромагнитному (ФМ) упорядочению магнитных моментов Mn, и антиферромагнитного (АФМ) сверхобмена между магнитными моментами Mn, сформированными локализованными t2g электронами [2–4]. В соединениях с относительно большими значениями среднего радиуса катионов < rA > R1-xSrxMnO3, R1-xBaxMnO3 (R = La, Pr, Nd) при концентрациях 0.2 < х < 0.5 двойной обмен является доминирующим взаимодействием, что приводит к переходу из парамагнитного диэлектрического в ферромагнитное металлическое состояние при температуре Кюри, примерно равной температуре перехода диэлектрик-металл, TC = TIM [1, 2, 5]. Максимальное значение TC (TIM ) достигается при уровне допирования x 0.3 - 0.35 и уменьшается с уменьшением < rA > [6].

Научный интерес к манганитам легированных стронцием связан с их сравнительно высокими температурами Кюри: TC = 325 К для Pr0.6 Sr0.4MnO3 [7] и TC = 378 К для La0.7Sr0.3MnO3 [8], что открывает широкие возможности для их практического применения. Кроме того, исследования последних лет показали, что воздействие внешнего высокого давления приводит к значительным изменениям магнитных свойств соединений Pr1-xSrxMnO3 [9, 10]. В Pr0.52 Sr0.48MnO3 наблюдался магнитный фазовый переход их ФМ фазы в АФМ фазу А-типа, а в Pr0.44 Sr0.56MnOпереход из АФМ фазы А-типа в АФМ фазу С-типа. Однако воздействие высокого давления на кристаллическую и магнитную структуры манганитов Pr1-xSrxMnO3 с меньшей концентрацией стронция x 0.3 - 0.4 не изучалось.

Настоящая работа посвящена исследованию влияния внешнего высокого давления на кристаллическую и магнитную структуру манганитов Pr0.7 Sr0.3MnO3 и Pr0.6 Sr0.4MnO3 методом нейтронной дифракции.

1. Описание эксперимента Поликристаллические образцы Pr0.7 Sr0.3MnO3 и Pr0.6 Sr0.4MnO3 были приготовлены стандартным методом твердофазной реакции аналогично процедуре, описанной в работе [11].

Эксперименты по нейтронной дифракции проводились на спектрометре ДН-12 [12] импульсного высокопоточного реактора ИБР-2 (ЛНФ им.

И.М. Франка, ОИЯИ, Дубна) с использованием камер высокого давления с сапфировыми наковальнями [13]. Давление в камере измерялось по сдвигу линии люминесценции рубина с точностью 0.05 ГПа. Эксперименты выполнены в диапазоне температур 10–295 К и внешних высоких давлений до 1.9 ГПа для Pr0.6 Sr0.4MnO3 и до 4.5 ГПа для Pr0.7 Sr0.3MnO3. Характерное время измерения одного спектра 20 ч. Анализ дифракционных данных Влияние высокого давления на структуру манганитов производился методом Ритвельда с помощью программ MRIA [14] (кристаллическая структура) и FullProf [15] (магнитная структура).

2. Результаты и обсуждение Участки нейтронных дифракционных спектров Pr0.7 Sr0.3MnO3, полученных при различных давлениях и температурах, представлены на рис. 1.

Рис. 1. Нейтронные дифракционные спектры Pr0.7 Sr0.3MnO3, измеренные при P = 0 и 4.5 ГПа, T = 295 K и 10 К (углы рассеяния 2 = 90 и 45.вставка), обработанные по методу Ритвельда. Показаны экспериментальные точки, вычисленный профиль и разностная кривая (для P = 0 ГПа и Т = 10 К). Вертикальными штрихами указаны рассчитанные положения структурных и магнитных дифракционных пиков. Наиболее интенсивные АФМ пики и пики с ФМ вкладом помечены символами АФМ и ФМ, соответственно. Также показаны положения пиков NaCl, добавленного в небольшом количестве к образцу для дополнительной калибровки давления Во всем исследуемом интервале давлений и температур перовскитоподобная кристаллическая структура соединения Pr0.7 Sr0.3MnO3 сохраняет исходную орторомбическую симметрию пространственной группы (пр. гр.) Pnma. Параметры элементарной ячейки этой структуры связаны с параметрами идеальной кубической структуры перовскита (ap) соотношением a c ap и b 2ap. С повышением давления происходит линейное уменьшение объема и параметров элементарной 268 Н. Т. Данг, Д. П. Козленко, С. Е. Кичанов, Б. Н. Савенко ячейки (рис. 2). Рассчитанные коэффициенты линейной сжимаемости kai = - (1/a0i) (dai/dP )|T (ai = a, b, c) при Т = 295 К составили kb = 0.0057(5) ГПа-1, ka = 0.0030(4) ГПа-1 и kc = 0.0005(4) ГПа-1.

Рис. 2. Зависимости параметров элементарной ячейки Pr0.7 Sr0.3MnOот давления при Т = 295 К и их линейная интерполяция. На вставке:

зависимость объема элементарной ячейки Pr0.7 Sr0.3MnO3 от давления и его линейная интерполяция В орторомбической структуре с пр. гр. Pnma кислородные октаэдры Mn–O6 содержат три пары неэквивалентных связей Mn–O: связи Mn– O1 направлены вдоль оси b, связи Mn–O2a и Mn–O2b расположены в плоскости (ac). Длины связи Mn–O2a и Mn–O2b имеют близкие значения и величины сжимаемости, и в этом случае целесообразно исследовать барическое поведение их усредненного значения. С увеличением давления наблюдается анизотропное сжатие длин связей Mn–O (рис. 3, a), приводящее к одноосному сжатию кислородных октаэдров вдоль оси b. Для соединения Pr0.7 Sr0.3MnO3 рассчитанные коэффициенты линейной сжимаемости длин связей kMn-Oi = - 1/1Mn-O0i d1Mn-Oi/dP (i = 1, 2) при T = 295 K T составляют kMn-O1 = 0.009(5), k = 0.001(5) ГПа-1 для Mn–O1 и среднего значения < Mn–O2 >, соответственно. С увеличением давления от 0 до 4.5 ГПа происходит увеличение среднего валентного угла в кислородных октаэдрах Mn–O6 (рис. 3, b).

При нормальном давлении и температурах ниже TC = 270 К в нейтронных дифракционных спектрах наблюдалось появление магнитного вклада в интенсивность ядерных рефлексов (101)/(020) при dhkl 3.и (200)/(002)/(121) при dhkl 2.75 (см. рис.1), что свидетельствовало о возникновении ферромагнитного упорядочения. Упорядоченные магнитные Влияние высокого давления на структуру манганитов Рис. 3. a) Зависимости: a длин связей Mn–O1 и средней длины связи < Mn–O2 > для Pr0.7 Sr0.3MnO3 от давления при Т = 295 К и их линейная интерполяция; b барическая зависимость среднего валентного угла Mn–O–Mn и его линейная интерполяция моменты ионов Mn направлены вдоль орторомбической оси b, их значения при Т = 10 К составляют µФМ = 3.4(2) µB, что хорошо согласуется с данными работы [16].

При высоком давлении Р = 1.9 ГПа с понижением температуры наблюдалось появление новых магнитных рефлексов на dhkl 3.44 и 7.47 (см. рис. 1). Анализ экспериментальных данных показал, что новые рефлексы соответствуют появлению АФМ фазы с упорядочением А-типа [1].

Магнитные моменты Mn в такой АФМ структуре лежат в плоскостях (ac) и ориентированы параллельно друг другу в пределах этих плоскостей, меняют направление на противоположное в соседних плоскостях, перпендикулярных оси b орторомбической структуры. При этом ферромагнитный вклад в интенсивность дифракционных пиков (101)/(020) и (200)/(002)/(121) также наблюдался, что свидетельствовало о сосуществовании ФМ и АФМ фаз.

С увеличением давления до 4.5 ГПа упорядоченный магнитный момент ионов Mn в ФМ фазе при Т = 10 К уменьшается до 2.1(1)µB, что свидетельствует о постепенном уменьшении объемной доли ФМ фазы.

Упорядоченный магнитный момент ионов Mn в АФМ фазе при давлении Р = 4.5 ГПа и Т = 10 К составляет µАФМ = 1.8(1) µB.

Для определения барической зависимости температуры Кюри от давления в Pr0.7 Sr0.3MnO3 температурные зависимости упорядоченного 270 Н. Т. Данг, Д. П. Козленко, С. Е. Кичанов, Б. Н. Савенко магнитного момента ионов Mn ФМ фазы, измеренные при различных давлениях (рис. 4), интерполировались функцией, описывающей температурную зависимость магнитного момента ферромагнетика в приближении молекулярного поля [17]:

µФM 3S µФM T = BS, (1) µФM0 S + 1 µФM0 TC где BS функция Бриллюэна; S спина ионов Mn (S = 3/2); µФM магнитный момент ФМ фазы при Т = 0 К. В Pr0.7 Sr0.3MnO3 с увеличением давления наблюдается линейное возрастание TC с величиной dTC/dP 2.2(3) К / ГПа (вставка рис. 4). Для оценки величины температуры Нееля для АФМ фазы А-типа температурные зависимости упорядоченного магнитного момента ионов Mn (рис. 5) аппроксимировались функцией µАФМ = A · (1 - T/TN ), (2) где A, подгоночные параметры; TN температура Нееля [18].

Рассчитанная температура Нееля при Р = 4.5 ГПа составляет TN = 152(3) K.

Рис. 4. Температурные зависимости эффективного магнитного момента ионов Mn ФМ фазы Pr0.7 Sr0.3MnO3, при давлениях Р = 0, 1.9 и 4.5 ГПа и их интерполяция функцией (1). На вставке: зависимость температуры Кюри от давления и её линейная интерполяция На рис. 6 показаны участки нейтронных дифракционных спектров Pr0.6 Sr0.4MnO3, полученных при различных давлениях и температурах.

Анализ экспериментальных данных показал, что манганит Pr0.6 Sr0.4MnOтакже имеет орторомбическую кристаллическую структуру с пространственной Влияние высокого давления на структуру манганитов Рис. 5. Температурные зависимости эффективного магнитного момента ионов Mn АФМ фазы А-типа Pr0.7 Sr0.3MnO3 при давлениях Р = 4.5 ГПа и его интерполяция функцией (2) Рис. 6. Нейтронные дифракционные спектры Pr0.6 Sr0.4MnO3, измеренные при P = 0 и 1.9 ГПа, T = 295 K и 10 К (углы рассеяния 2 = 90 и 45.вставка), обработанные по методу Ритвельда. Показаны экспериментальные точки, вычисленный профиль и разностная кривая (для P = 0 ГПа и Т = 10 К). Вертикальными штрихами указаны рассчитанные положения структурных дифракционных пиков. Наиболее интенсивные АФМ пики и пики с ФМ вкладом помечены символами АФМ и ФМ соответственно группой P nma во всем исследуемом интервале давлений и температур.

Поведение магнитной структуры соединения Pr0.6 Sr0.4MnO3 аналогично Pr0.7 Sr0.3MnO3. При комнатной температуре наблюдалось появление магнитного вклада в интенсивность ядерных рефлексов (101)/(020) при dhkl 3.88 и (200)/(002)/(121) при dhkl 2.75 (рис.6), 272 Н. Т. Данг, Д. П. Козленко, С. Е. Кичанов, Б. Н. Савенко что свидетельствует о возникновении ферромагнитного упорядочения.

Рассчитанное значение упорядоченных магнитных моментов ионов Mn при Т = 10 К составляет µФМ = 3.0(1) µB, что хорошо согласуется с данными работы [7]. Рассчитанная на основе температурной зависимости µФМ(T ) температура Кюри манганита Pr0.6 Sr0.4MnO3 составляет 325(5) К, что близко к величине, полученной в работе [7]. Различие между температурами Кюри двух манганитов Pr0.6 Sr0.4MnO3 и Pr0.7 Sr0.3MnO3 при Р = 0 ГПа связано с разной концентрацией ионов Mn3+ и Mn4+, определяющей баланс двойного обменного ФМ и сверхобменного АФМ взаимодействий [6].

При Р = 1.9 ГПа и Т = 10 К наблюдалось появление новых магнитных рефлексов при dhkl 3.45 и 7.48 (см. рис. 6), указывающих на формирование новой АФМ фазы А-типа. При этом ферромагнитный вклад в дифракционные пики (101)/(020) и (200)/(002)/(121) также наблюдался, что свидетельствует о сосуществовании АФМ фазы высокого давления с исходной ФМ фазой. Рассчитанные значения упорядоченного магнитного момента ионов Mn в ФМ и АФМ фазах при P = 1.9 ГПа и Т = 10 К составили µФМ = 1.9(1) µВ и µAФМ = 1.6(1) µВ соответственно.

В рамках модели двойного обмена магнитные и транспортные свойства манганитов, имеющих ферромагнитное металлическое основное состояние, определяются величиной ширины зоны носителей заряда W и в приближении сильного внутриатомного обменного взаимодействия (JH W ) TC W [19, с. 1-38]. В случае отсутствия ян-теллеровских искажений кислородных октаэдров ширина зоны носителей заряда определяется интегралом переноса eg электронов в цепочках Mn3+–O2-–Mn4+ и зависит от средней величины длины связи и угла Mn–O–Mn как [20, 21]:

W = W0 cos2 /l3.5. В соответствии с этим можно получить следующее выражение для относительного барического изменения температуры Кюри:

(1/TC)(dTC/dP ) = 3.5kMn–O - 2(Mn–O–Mn) tg(Mn–O–Mn)k, (3) где kMn–O среднее значение сжимаемости длин связей Mn–O;

Mn–O–Mn среднее значение угла Mn–O–Mn и его сжимаемость k = (1/Mn–O–Mn0) (dMn–O–Mn/dP ) T.

Рассчитанное на основе полученных барических зависимостей структурных параметров значение dTC/dP 3 К/ГПа близко к экспериментальному.

Возможной причиной появления АФМ фазы А-типа в Pr0.7 Sr0.3MnOи Pr0.6 Sr0.4MnO3 при высоких давлениях может являться анизотропное одноосное сжатие кислородных октаэдров вдоль оси b орторомбической структуры (см. рис. 3). В этом случае происходит преимущественное заселение d(x2 - z2) eg орбиталей ионов Mn, что приводит к уменьшению обменного интеграла между ближайшими соседями в направлении одноосного сжатия и создает предпочтительные условия для формирования АФМ состояния А-типа [22].

Влияние высокого давления на структуру манганитов Заключение Результаты настоящей работы показывают, что при воздействии внешнего высокого давления в манганитах Pr0.7 Sr0.3MnO3 и Pr0.6 Sr0.4MnOпроисходит изменение магнитного состояния с ферромагнитного на антиферромагнитное А-типа. ФМ и АФМ фазы сосуществуют друг с другом в исследуемом диапазоне давлений. С повышением давления происходит постепенное уменьшение объема ФМ фазы и увеличение объема АФМ фазы, о чем свидетельствует поведение упорядоченного магнитного момента ионов Mn для этих фаз.

Возможной причиной наблюдаемого изменения магнитного состояния может быть анизотропное одноосное сжатие кислородных октаэдров Mn–O, которое приводит к преимущественному заселению d(x2 - z2) eg орбиталей ионов Mn. Увеличение температуры Кюри для ФМ фазы, наблюдаемое в эксперименте, может быть объяснено в рамках модели двойного обмена.

Список литературы 1. Dagotto E., Hotta A., Moreo A. Colossal magnetoresistant materials: the key role of phase separation // Phys. Rep. 2001. V.344. P.1.

2. Zener C. Interaction between the d-shells in the transition metals. Ferromagnetic compounds of manganese with perovskite structure // Phys. Rev. 1951. V.82. P.403.

3. Anderson P.W., Hasegawa H. Considerations on double exchange // Phys. Rev.

1955. V.100. P.675.

4. De Geness P.G. Effects of double exchange in magnetic crystals // Phys. Rev. 1960.

V.118. P.141.

5. Изюмов Ю.А., Скрябин Ю.Н. Модель двойного обмена и уникальные свойства манганитов // УФН. 2001. Т.171. Вып.2. С.122–148.

6. Electrical properties in solid solution Pr1-x SrxMnO3 (0 x 0.5) / W. Boujelben [et al.] // Phys. Stat. Sol (a). 2000. V.177. P.503.

7. Coherent-incoherent crossover of charge dynamics in the ferromagnetic ground state of manganites: R0.6Sr0.4MnO3 (R = La–Sm) / E. Saitoh [et al.] // Phys. Rev. B.

1999. V.60. P.10362.

8. Magnetism and structural distortion in the La0.7Sr0.3MnO3 metallic ferromagnet / C.M. Martin [et al.] // Phys. Rev. B. 1996. V.53. P.14285.

9. High pressure effects on the crystal and magnetic structure of Pr1-xSrxMnOmanganites (x = 0.5 - 0.56) / D.P. Kozlenko [et al.] // J. Phys.: Condens. Matter.

2004. V.16. P.2381.

10. Pressure-induced antiferromagnetism and compression anisotropy in Pr0.52 Sr0.48MnO/ D.P. Kozlenko [et al.] // Phys. Rev. B. 2007. V.76. P.094408.

Pages:     | 1 |   ...   | 26 | 27 || 29 | 30 |   ...   | 43 |



© 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.