Введение к работе
і.
Актуальность темы. Настоящая работа посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию магнитоэлектрических материалов в широком диапазоне частот.
В. шестидесятых годах, вскоре после экспериментального открытия Д.Н. Астровым [1] магнитоэлектрического эффекта, началось интенсивное изучение физических явлений в материалах, в которых диэлектрические и магнитные свойства взаимосвязаны. Исследования показали, что в таких материалах можно ожидать появления новых спонтанных и индуцированных явлений, связанных с проявлением МЭ взаимодействий. Изучение МЭ эффекта оказалось принципиально важным для определения магнитной симметрии, магнитных фазовых переходов и связанных с ними критических экспонент, исследования фазовых переходов, индуцированных внешними полями, изучения электронных состояний, исследования антиферромагнитной доменной структуры и т.д.[2]. За последние два десятилетия стал актуальным ряд новых исследовательских тем, в разной степени связанных с магнитоэлектрическими взаимодействиями. Среди них следует выделить:
эффекты в сильных магнитных полях;
невзаимные оптические явления;
несоразмерные фазы;
тороидальные моменты;
элементарные возбуждения;
высокотемпературная сверхпроводимость;
МЭ явления в диапазоне СВЧ;
композиционные материалы и т.д.
Особенно следует отметить исследования, результаты которых освещены в трудах Международных конференций МЕІРІС-2,3 [3,4], специально посвященных МЭ эффектам в кристаллах.
Следует отметить, что в настоящее время задача поиска и исследования новых МЭ материалов является достаточно актуальной, особенно в связи с перспективами их практического использования. Наличие у них ряда важных для техники свойств (диэлектрических, магнитных, оптических и других) позволяет надеяться, что на их основе могут быть созданы новые элементы и устройства функциональной электроники [5]. В этой связи необходимо отметить интенсивно развивающееся научное
направление - физика МЭ явлений на СВЧ. Кроме того, вследствие существования взаимосвязи между диэлектрической и магнитной подсистемами эти соединения могут найти принципиально новое применение. В обзоре [6] особенно отмечается перспективность
использования магнитоэлектрических материалов для построения устройств СВЧ и оптического диапазона.
Таким образом, актуальность работы определяется необходимостью развития представлений о природе магнитоэлектрических взаимодействий в различных соединениях и новыми возможностями применения МЭ материалов.
Целью настоящей работы является поиск, экспериментальное и теоретическое изучение новых свойств материалов, обусловленных магнитоэлектрическим взаимодействием, и выявление механизмов, ответственных за эти взаимодействия.
В связи с этим ставились следующие задачи:
-
Изучить магнитоэлектрический эффект в кристаллах со структурой оливина.
-
Изучить оптические и магнитоэлектрические свойства в редкоземельных молибдатах.
-
Изучить магнитоэлектрический эффект в композиционных феррит- пьезоэлектрических материалах.
Объектами исследований были выбраны антиферромагнитные монокристаллы со структурой оливина с общей формулой LiMPO , монокристаллы метастабильной орторомбической парамагнитной сегнетоэлектрической Р' - фазы молибдатов с общей формулой R (МоО ) и композиционные феррит-пьезоэлектрических материалы. Общим для всех этих типов соединений является наличие в них сильного магнитоэлектрического взаимодействия.
Научная новизна работы определяется следующим:
1. Проведено экспериментальное изучение МЭ взаимодействий в
DyGd(MoO ) и LiNiPO в сильных магнитных полях и при низких
* 3 4
температурах. Проведены экспериментальные исследования аномальных магнитоэлектрических свойств LiNiPO .
2. Построена феноменологическая теория МЭ эффекта в кристаллах со
структурой оливина. Дано микроскопическое описание МЭ эффекта
в кристаллах со структурой оливина.
3. Проведено теоретическое рассмотрение МЭ свойств молибдатов. Рассмотрен механизм усиления МЭ взаимодействия за счет параметрического возбуждения упругих колебаний.
4 Рассмотрены оптические свойства кристаллов. Рассчитан спектр поглощения и построены волновые функции иона Со2* в LiCoPO и иона ТЬ3+ в Tb (МоО ) . Предложен механизм, объясняющий
2 А з
аномально высокие фотонапряжения в молибдате тербия.
5. Рассмотрен МЭ эффект в композиционных феррит-пьезоэлектрических
материалах состава ЖИГ-ВаТіО и (Ni-Co-Mn) феррит - ЦТС
з на низких частотах и в области ФМР.
Практическая ценность:
-
На основе проведенных исследований предложен ряд дополнительных экспериментов для окончательного выяснения природы МЭ взаимодействий в кристаллах со структурой оливина и редкоземельных молибдатах.
-
Внутренняя симметрия МЭ тензоров, установленная с помощью МЭ измерений, позволяет уточнить симметрию кристаллов со структурой оливина.
-
Полученные результаты рекомендованы для оптимизации состава композиционных феррит-пьезоэлектрических материалов.
Научтгые положения, оьгносимые на защиту:
1. Спектр оптического поглощения в LiCoPO может быть описан на
основе ионной модели. Вследствие того, что величина расщепления спинового иультиплета составляет примерно 20% от разности энергий между основным и первым возбужденным орбитальными состояниями, МЭ эффект в кристаллах со структурой оливина может быть описан на основе теории возмущений в рамках одноионной модели. При этом нечетная часть кристаллического потенциала и оператор дипольного перехода могут быть представлены эффективным четным оператором.
-
Наличие в разложении термодинамического потенциала инварианта типа инварианта Лифшица может приводить к существованию несоразмерной фазы в кристаллах со структурой оливина.
-
Наличие электромагнитоупругой связи в молибдатах может приводить к усилению МЭ взаимодействия за счет параметрического возбуждения упругих колебаний. Электронная часть МЭ эффекта в молибдатах может быть описана в рамках одноионной модели, как изменение
зеемановской энергии во внешнем электрическом поле (аналогичное изменению g- фактора в спиновом гамильтониане). 4S Наличие двух неэквивалентных мест в элементарной ячейке молибдата тербия позволяет объяснить наличие 14 пиков поглощения, наблюдаемых экспериментально. Туннелирование электронов в молибдате тербия при оптическом переходе 7F -5D является причиной аномально высоких фотонапряжении в данном материале. 5. Наличие упругой подсистемы в композиционных феррит-пьезоэлектрических материалах состава ЖИГ-ВаТіО и (Ni-Co-Mn) феррит - ЦТС приводит к возникновению МЭ взаимодействия в данных материалах как на низких, так и на высоких частотах. Апробация работы. Материалы диссертации представлялись на Международных, Всесоюзных и Российских конференциях, в том числе: на Международном Симпозиуме по сегнетоэлектрическим материалам и их использованию ISEFPMA-94 (Москва, 1994), 1ой Объединенной конференции по магнитоэлектронике (Москва, 1995), XIV Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (Иваново, 1995), Международной конференции по новым материалам и технологиям в электротехнике (Lodz-Dobieszkow, 1995), Молодёжной научной конференции "XXI Гагаринские чтения" (Москва, 1996), Международном семинаре по сегнетоэлектрикам ISRF-I (Дубна, 1996), Международной конференции по магнитоэлектричеству MEIPIC-III (Новгород, 1996). Материалы диссертации докладывались на ряде научных семинаров в НовГУ и институте им. Макса Планка (Гренобль, Франция) в период с 1994-1998 гг.
Публикация результатов работы. По результатам выполненных исследований опубликовано 15 печатных работ.
Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, приложений и списка литературы.
