WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 2 Магнитные фазовые диаграммы манганитов в области их электронного легирования (Обзор) © С.М. Дунаевский Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова Российской академии наук, 188300 Гатчина, Ленинградская обл., Россия E-mail: dunaevsk@mail.pnpi.spb.ru (Поступил в Редакцию 2 июня 2003 г.) Обзор посвящен рассмотрению физических свойств манганитов R1-xAx MnO3 (R = La, Pr, Nd, Sm и др., A = Ca, Sr, Ba) в области их электронного легирования, когда концентрация двухвалентных атомов x в соединении находится в интервале 0.5 < x < 1. Представлены экспериментальные магнитные фазовые диаграммы наиболее изученных соединений и результаты теоретических расчетов этих диаграмм, выполненных в рамках вырожденной модели двойного обмена методом сильной связи при T = 0 K. В экспериментальном разделе основное внимание уделено данным нейтронографических исследований магнитных и кристаллических структур манганитов, а в теоретическом — взаимосвязи их магнитной и орбитальной структур. Дано подробное описание метода расчета энергетического спектра (k) и полной энергии носителей заряда для всевозможных магнитных и орбитальных конфигураций системы, отвечающих трансляционной симметрии решетки. Теоретическое рассмотрение выполнено отдельно для двух моделей кристаллической структуры с двумя и четырьмя атомами марганца в элементарной ячейке. Все равновесные магнитные и орбитальные конфигурации четырехподрешеточной модели манганитов были определены в результате минимизации полной энергии системы по направлениям локальных магнитных моментов марганца и орбитальным состояниям eg электронов.

Показано, что использование эффективного гамильтониана вырожденной модели двойного обмена eg электронов, учитывающей расщепление eg уровня, и гамильтониана Гейзенберга локализованных t2g электронов позволяет описать многообразие магнитных фаз, порядок их чередования с ростом x и корреляцию спиновых и орбитальных степеней свободы, которые наблюдаются в эксперименте в большинстве легированных электронами манганитов.

Работа выполнена при поддержке российско-белорусского проекта Российского фонда фундаментальных исследований № 02-02-81012 Бел2002-а.

Содержание 1. Введение Легированные двухвалентными элементами окислы 1. Введение.

переходных металлов типа R1-xAxMnO3 (R = La, Pr, 2. Кристаллическая и магнитная структуры манганитов.

Nd, Sm и др., A = Ca, Sr, Ba, Pb и др.) (манганиты) 3. Экспериментальные фазовые диаграммы манганитов в последнее время являются объектами интенсивных R1-xAxMnO3 (R = La, Pr, Nd, Sm и др., A = Ca, Sr, Ba...).

экспериментальных и теоретических исследований. При 3.1. Фазовые диаграммы манганитов лантана La1-x AxMnO3 изменении концентрации x двухвалентного элемента A (A = Ca, Sr, Ba...).

от нуля до единицы физические свойства манганитов существенно меняются и система проходит целую це3.2. Фазовые диаграммы манганитов празеодима почку фазовых переходов с разнообразными типами Pr1-x AxMnO3 (A = Ca, Sr...).

структурного, магнитного, зарядового и орбитального 3.3. Фазовые диаграммы манганитов неодима Nd1-x AxMnOупорядочения. В настоящее время известен целый ряд (A = Ca, Sr...).

экспериментальных [1–3] и теоретических [4–6] обзоров, 3.4. Фазовые диаграммы манганитов самария Sm1-x AxMnOв которых представлены основные физические свойства (A = Ca, Sr...).

манганитов и изложены существующие подходы к их 3.5. Фазовые диаграммы манганитов гадолиния и гольмия.

теоретическому описанию. Эти обзоры посвящены глав4. Теоретическая модель манганитов.

ным образом описанию свойств манганитов в области 4.1. Эффективный гамильтониан вырожденной DE модели. значений легирующей добавки 0 < x < 0.5, где свободными носителями являются дырки в расщепленной eg 4.2. Фазовые диаграммы двухподрешеточной модели мангазоне марганца. В этой области манганиты проявлянитов в методе сильной связи.

ют уникальное свойство отрицательного колоссального 4.3. Фазовые диаграммы четырехподрешеточной модели манмагнитосопротивления (КМС), когда удельное сопроганитов в методе сильной связи.

тивление образца при приложении к нему внешнего 5. Заключение.

магнитного поля уменьшается в несколько раз. Эффект 1 194 С.М. Дунаевский КМС максимален при температурах, близких к темпера- Последняя ситуация отвечает случаю легирования туре перехода системы из состояния парамагнитного ди- антиферромагнитного CaMnO3 атомами лантана и друэлектрика в ферромагнитное металлическое состояние. гих трехвалентных элементов. В эксперименте, однако, Такое аномальное поведение электропроводности манга- подобной симметрии фазовых диаграмм относительно нитов вблизи температуры Кюри TC было обнаружено значения x = 0.5 не наблюдается [11,12]. В области еще в 1950 г. [7]. Тогда же [8], при помощи дифракции электронного легирования ферромагнитное состояние нейтронов впервые были определены кристаллическая системы наблюдается крайне редко, тогда как в „дыи магнитная структуры системы La1-x CaxMnO3 во рочной“ области ферромагнитное состояние занимает всем диапазоне изменения концентрации двухвалентных большую часть фазовой диаграммы.

ионов кальция (x = 0-1). В 90-х годах эффект КМС В действительности eg зона манганитов в приближенашел интересное применение при создании магнитнонии сильной связи образуется не из одной, а из двух резистивных считывающих магнитных головок для совырожденных атомных eg орбиталей марганца типа |z временной компьютерной техники, что вызвало новый и |x2 - y2, каждая их которых в свою очередь двукратно всплеск исследований физических свойств этих и родвырождена по спину. Из-за сильного внутриатомного ственных им (кобальтитов, никелатов и др.) соединений (хундовского) взаимодействия eg и t2g электронов спиво всем мире. В настоящее время повышенное внимание новые eg подзоны оказываются расщепленными. Именно экспериментаторов и теоретиков к исследованию мангапоэтому в LaMnO3 eg зона заполнена на четверть, нитов обусловлено еще и тем, что их электропровода в CaMnO3 носители в зоне отсутствуют. Очевидно, ность и эффект КМС тесно связаны с определенным что для объяснения наблюдаемой асимметрии свойств типом магнитного, зарядового и орбитального упорядоманганитов необходимо рассмотрение именно орбитальчения в системе.

но вырожденной DE-модели с одновременным учетом В основе теоретического рассмотрения магнитных эффектов, приводящих к расщеплению нижней спиновой и транспортных свойств легированных манганитов тиeg подзоны марганца.

па La1-x CaxMnO3 (x = 0-1) лежит модель двойного Строго говоря, симметрию свойств следует искать обмена — DE-model (double-exchange model) [9,10] не при переходе от LaMnO3 к CaMnO3 в системе Зинера–Андерсона–Хасегавы. Эта DE-модель рассматLa1-xCax MnO3, а при замене двухвалентной легируривает только марганцевую подрешетку реальной криющей добавки (Ca и др.) в LaMnO3 четырехвалентсталлической структуры перовскита, в которой интеной (Ce и др.) той же концентрации x. Поскольку грал перескока eg электрона между ближайшими ионав LaMnO3 eg зона заполнена на четверть и расщепми марганца зависит от взаимного упорядочения их локальных магнитных моментов, образованных тремя t2g лена, при легировании этого соединения атомами четырехвалентных элементов в верхней незаполненной электронами. Ширина зоны проводимости, которая прозоне появятся свободные электроны. Именно о такой порциональна интегралу перескока, в рамках DE-модели симметрии идет речь в работе [13], где сообщается, оказывается максимальной для ферромагнитного (ФМ) что как La0.7Ca0.3MnO3, так и La0.7Ce0.3MnO3 являются упорядочения и обращается в нуль при антиферромагметаллическими ферромагнетиками с одной и той же нитном (АФМ) упорядочении соседних спинов. При температурой Кюри TC = 250 K. Однако „симметричлегировании антиферромагнитного LaMnO3 атомами ное“ с точки зрения числа свободных носителей в ниждвухвалентного элемента (Ca, Sr, Ba, Pb и др.), которые ней отщепленной зоне соединение La0.3Ca0.7MnO3 при замещают трехвалентные атомы лантана, в заполненпонижении температуры становится АФ диэлектриком, ной eg зоне марганца возникают дырки. Поскольку их а не ФМ металлом.

энергия минимальна при ФМ упорядочении локальных Настоящий обзор посвящен рассмотрению физичеспинов, при определенной концентрации дырок ФМ соских свойств манганитов R1-xAxMnO3 (R = La, Pr, Nd, стояние становится основным, а диэлектрический харакSm и др., A = Ca, Sr, Ba) в области их электронного тер проводимости парамагнитной фазы при понижении легирования, когда концентрация двухвалентных атомов температуры вблизи температуры Кюри меняется на в соединении превышает значение x = 0.5. В обзоре металлический. Таким образом, DE-модель позволяет представлены экспериментальные магнитные фазовые качественно объяснить как переход металл–изолятор, диаграммы наиболее изученных соединений и рассмоттак и эффект КМС вблизи точки Кюри манганитов. Оба рены основные модели их теоретического описания.

эффекта наблюдаются в области значений концентраций В области электронного легирования подвижными нодырок 0.15 < x < 0.5.

сителями заряда являются d-электроны, которые по В первоначальном варианте DE-модели [10] предпомере увеличения их концентрации y = 1 - x заполняют лагалось, что eg зона образована из одной атомной вырожденную eg зону манганитов не более, чем на одну eg орбитали марганца. В рамках этой невырожденной восьмую. Малое число носителей в зоне проводимости DE-модели поведение системы должно быть одинаковым позволяет в первом приближении не рассматривать межкак при x 0, когда свободными носителями являются дырки в наполовину заполненной eg зоне, так и при атомное и внутриатомное кулоновское отталкивание, x 1, когда в eg зоне находится малое число электронов что несколько упрощает вид гамильтониана изучаемых проводимости. соединений.

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. Магнитные фазовые диаграммы манганитов в области их электронного легирования 2. Кристаллическая и магнитная Соединение CaMnO3 (x = 1) имеет кубическую структуру перовскита ABO3.

структуры манганитов Четыре атома марганца, отмеченные цифрами на рис. 1, связаны между собой преобразованиями симЛегированные манганиты R1-x AxMnO3 при малых x метрии пространственной группы Pnma. Это накладычаще всего кристаллизуются в орторомбической (фавает определенные ограничения на возможные магнитзы O и O) и ромбоэдрической структурах (фаза ные структуры, принимая во внимание тот факт, что R) [14]. Подробный кристаллохимический анализ этих локальный магнитный момент ионов марганца является структур выполнен в [15]. В этом обзоре показано, что аксиальным вектором. Основными типами магнитных степень орторомбичности фазы O на порядок меньше степени орторомбичности фазы O. Поэтому фазу O структур в системе с симметрией Pnma являются:

1) ферромагнитное (F) упорядочение всех локальных в литературе часто называют псевдокубической. В формагнитных моментов марганца вдоль одной из осей x, y мировании структуры этой фазы участвуют главным или z (Fx, Fy или Fz );

образом повороты кислородных октаэдров (тилтинго2) АФМ структура типа A, которая представляет совые моды), а доля ян-теллеровских искажений решетки бой антиферромагнитное чередование ферромагнитных чрезвычайно мала. Обе орторомбические фазы имеют плоскостей типа (010);

одну и ту же несимморфную пространственную группу 3) АФМ структура типа C, состоящая из ферромагPnma (или Pbnm), а топологическое различие между нитных цепочек спинов вдоль одной из осей x, y или z, ними заключается в разном типе касаний ионов. На упорядоченных антиферромагнитно;

рис. 1 изображена подрешетка марганца орторомбиче4) АФМ структура типа G с обычным антиферромагской ячейки, вложенной в исходную кубическую пенитным упорядочением магнитных моментов ближайровскитную структуру ABO3. Орторомбическая ячейка ших соседей.

содержит четыре неэквивалентных в трансляционном Кроме этих „чистых“ магнитных структур, которые, отношении атома марганца. В области электронного лекак правило, и наблюдаются в эксперименте, орторомгирования кроме орторомбической структуры Pnma добическая структура допускает возможность наблюдения статочно часто встречаются также моноклинная P21/m, более сложных магнитных структур (типа Cx Az, Gz AyFx тетрагональная I4/mcm и кубическая Pm3m кристаллии др.), принадлежащих к одному из неприводимых предческие структуры. В предельном случае x = 0 при норставлений гамильтониана системы. Таких неприводимых мальных условиях синтеза искаженной орторомбической представлений для магнитных моментов марганца в структурой перовскита обладают LaMnO3 и RMnO3, Pnma всего четыре, а для магнитных моментов редкогде R — редкоземельный элемент от Ce до Dy [16].

земельных ионов — восемь. Некомпланарная структура Монокристаллы SrMnO3 и RMnO3 с тяжелыми редкоGz AyFx соответствует ферромагнитному упорядочению земельными элементами от Ho до Lu при атмосферном компоненты Sx спинового магнитного момента ионов давлении кристаллизуются в гексагональной структуре марганца, упорядочению типа A для Sy и типа G P63cm [17]. Все эти соединения в результате отжига для Sz. Для магнитных структур редкоземельных ионов при T = 900C и повышенном атмосферном давлении возможны только парные произведения Cx Ay и др. Все могут быть переведены в орторомбическую фазу [18].

возможные типы магнитного упорядочения как атомов марганца, так и редкоземельных ионов в орторомбической структуре Pnma (при другом выборе системы координат — Pbnm) приведены в [19]. Магнитные структуры, соответствующие моноклинной, тетраэдрической, гексагональной и кубической кристаллическим структурам, приведены в [20].

Кроме рассмотренных магнитных структур в манганитах вблизи x = 0.5 в ряде случаев наблюдается АФМ структура CE (charge-exchange) с шахматным зарядовым упорядочением, состоящая из зигзагообразных ферромагнитных цепочек ионов Mn3+ и Mn4+, лежащих в плоскости (110) орторомбической структуры перовскита. Магнитные моменты ближайших цепочек в плоскости и в соседних плоскостях вдоль направления (001) упорядочены между собой антиферромагнитно, что приводит к удвоению соответствующих периодов решетки и появлению новых рефлексов в спектрах рентгеновской Рис. 1. Подрешетка марганца орторомбической ячейки, влои нейтронной дифракции. Подробное описание свойств женной в исходную кубическую структуру перовскита. Цифманганитов, связанных с зарядовым упорядочением, трерами отмечены четыре неэквивалентных в трансляционном отношении атома марганца. бует отдельного обзора.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |



© 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.