Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА І. МАГНЕТИЗМ И МЕТОД НЕЙТРОНОГРАФИИ
1.1. Магнитные структуры и.взаимодействия их формирующие 9
1.1.1. Типы магнитных структур 9
1.1.2. Взаимодействия формирующие магнитную структуру 15
1.2. Основы магнитной нейтронографии 22
1.2.1. Ядерное и магнитное расееяние нейтронов 22
1.2.2. Рассеяние нейтронов магнитными геликоидами 27
1.3. Методика нейтронографического эксперимента 29
1.3.1. Нейтронографическая'установка на ИРТ-МИФИ . 30
1.3.2. Дополнительное оборудование (низко- и высокотемпературная техника, электромагнит, камеры высокого давления для нейтронографических исследований 42
Выводы к главе I 55
ГЛАВА 2. НЕИТРОНОГРАФИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ ХАЛЬКОШШ*
НЕЛЕЙ С ЗАМЕЩЕНИЕМ А-КАТЙОНА 56
2.1. Краткий обзор магнитных структур шпинелей . 57
2.2. Кристаллохимическая структура шпинели 61
2.3. Определение амплитуды когерентного рассеяния тепловых нейтронов изотопом кадмий-114 . 65
2.4. Магнитные измерения систем Cd^fyCr^Sz^ и Wy|.xnxGr25e4 шпинелей 70
2.5. Неитронографическое исследование поли- и монокристаллов 80
2.6. Магнитные фазовые диаграммы. фщ) и состояние спинового стекла в шпинелях 90
2.6.1. МФД системы I 93
2.6.2. МЩЦ системы П 101
2.7. Обменные взаимодействия в шпинелях 105
Выводы к главе 2 112
ГЛАВА 3. КАТИОННОЕ РАСПРЩЕЛЕНИЕ И МАГНИТНАЯ СТРУКТУРА
ЗАМЕЩЕННЫХ ФЕРРИТОВ-ГРАНАТОВ ИЗ
3.1. Кристаллографическая.и атомная, структура гранатов ИЗ
3.2. Магнитная структура. ферритов-гранатов 118
3.2.1. Модель Еееля 118
3.2.2. Полуэмпирические статистические теории ферримагнетизма 120
3.2.3. Теория протекания и магнетизм систем с замещением катионов 122
3.3. Нейтронографическое исследование катионного распределения и магнитной структуры системы кальций-титан-ванадиевых ферритов-гранатов 126
3.4. Нейтронографическое исследование системы
ферритов-гранатов 133
Выводы к главе 3 142
ГЛАВА 4. МАГНИТНЫЕ СТРУКТУРЫ ГЕКСАФЕРРИТОВ СИСТЕМЫ
4.1. Кристаллическая, атомная и магнитная структура 144 гексаферритов типа М ( Ва. те Ц )
4.2. Магнитные свойства системы V 150
4.2.1. Приготовление монокристаллов 150
4.2.2. Анизотропия и намагниченность 151
4.3. Нейтронографический анализ системы V 154
4.3.1. Неколлинеарные магнитные структуры в М-гексаферритах (обзор) ... 154
4.3.2. Нейтронографический анализ монокристаллов системы V ". 158
4.4. Магнитная фазовая диаграмма (Х,Т) системы \/ 164
4.5. Неоднородные магнитные структуры в
4.5.1. Эффект расщепления сателлитов 172
4.5.2. Исследование методом ЯГР ^ 175
4.6. Анализ взаимодействий, формирующих магнитную структуру в замещенных гексаферритах типа М . 176
4.6.1. Обменные взаимодействия 176
4.6.2. Анизотропные взаимодействия (антисимметричный обмен и диполь-дипольные магнитные взаимодействия) 182
Выводы к главе 4 184
ЗАШЯЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 185
ЛИТЕРАТУРА 190
- Магнитные структуры и.взаимодействия их формирующие
- Краткий обзор магнитных структур шпинелей
- Кристаллографическая.и атомная, структура гранатов
- Кристаллическая, атомная и магнитная структура 144 гексаферритов типа М ( Ва. те Ц )
Введение к работе
Магнитные материалы широко применяются в самых различных областях науки и техники и служат объектами интенсивных научных исследований.
Это связано как с возможностью создания новых приборов (рекордные постоянные магниты, элементы памяти ЭВМ, магнитострик-ционные преобразователи) и совершенствования технологии, так и для дальнейшего развития физики магнетизма. Однако список известных магнитных материалов недостаточно удовлетворяет наши потребности. Поэтому поиск и изучение новых магнитных материалов всегда остаются актуальными.
Только в последнее время стало ясно, что существуют магнитные материалы, которые являются одновременно и обычными полупроводниками по своим электрическим свойствам. Появилась возможность создания на базе таких магнитных полупроводников принципиально новых устройств. Основой для работы таких устройств могли бы служить различные перекрестные эффекты, связанные с существованием в магнитных полупроводниках одновременно электрической (свободные носители тока) и магнитной (спины магнитных ионов) подсистем и их взаимодействием.
Особое значение при исследовании новых магнитных материалов имеет методика дифракции тепловых нейтронов - нейтронография. Она - единственно прямой метод расшифровки магнитных структур. Использование нейтронографии позволяет найти величину и направление магнитных моментов ионов в кристаллической решетке.
Преимущества нейтронографии при определении местоположения различных катионов в синтезируемых магнетиках дает возможность улучшить технологию по схеме: состав - структура - свойства. Данную схему-можно рассматривать в двух аспектах. Во-первых - это по- мощь при синтезе новых магнетиков для их полной кристаллохимичес-кой аттестатции: фазовый анализ и катионное распределение. Во-вторых - построение полных магнитных фазовых диаграмм в зависимости от состава и внешних условий: температуры, давления и магнитного поля.
Настоящая диссертация посвящена изучению полных магнитных фазовых диаграмм в зависимости от состава и температуры (Х,Т) новых магнитных полупроводников халькошпинелей, ферритов-гранатов и гексаферритов. Также в работе представлена реконструированная нами нейтронографическая установка с помощью которой проводилось исследование вышеперечисленных магнетиков. диссертация состоит из четырех глав. В первой главе приводится краткий обзор основ нейтронографии и формулы, применяемые в данной работе для расшифровки магнитных структур, в частности, геликоидальных. Описана нейтронографическая установка и вспомогательное оборудование (низкотемпературная техника, электромагнит и камеры высокого давления). і - Вторая глава посвящена нейтронографическому определению пол ных магнитных фазовых диаграмм систем халькошпинелей Cd ZftiCbSe. и Н?.х Z.nx Ct^Se^ (хН + 0 j Т= 4.2-гЗООК). Показано, что в данных системах идет концентрационный магнитный фазовый переход ферро магнетик - антиферромагнетик ( Z/7 Ск Se^ - магнитная спираль). Этот переход идет с образованием неоднород ных магнитных структур и спинового кластерного стекла. Изучение системы имеют схожие магнитные фазовые диаграммы, а различия отно сятся за счет различия величин обменных взаимодействий. Выявле на связь данных магнитных измерений и нейтронографии.
В третьей главе приведены результаты исследования магнитной структуры замещенных ферритов-гранатов. Показано, что существующие ранее статистические полуэмпирические теории не дают полного
7. описания изменения магнитной структуры ферритов-гранатов при разбавлении их диамагнитными.
Наиболее последовательно анализ магнитных систем с замещением становится возможным с применением теории протекания. Представлены результаты нейтронографического определения катионного распределения и магнитной структуры в двух системах ферритов-гранатов с замещением. Выявлена связь данных ЯГР и нейтронографии для этих систем.
Четвертая глава посвящена определению магнитных структур в зависимости от температуры и состава системы гексаферритов типа М - 8а Сох"ПхЭ-е|2-2х 019 (х=0*6; Т=4,2 + 800К).
Получено, что в данной системе наблюдаются различные некол-яинеарные магнитные структуры, в том числе и спиральные. Впервые для гексаферритов построена полная магнитная фазовая диаграмма. Найдено наличие сосуществования областей разных магнитных фаз: блочная спираль и коллинеарный антиферромагнетик,конусный, ферри-магнетик вдоль С и блочная спираль.
В заключение приводится анализ полученных результатов, из которого видно, что в кубических системах шпинелей с замещением реализуются неоднородные магнитные состояния и спиновое стекло, а в гексагональных системах замещение приводит к образованию областей с разным магнитным упорядочением, которое тоже неоднородно.
На защиту выносятся следующие результаты:
I. Магнитные фазовые диаграммы шпинелей Cd^fr^ и Hj?,.xZnx&*25e(. определенные методом нейтронографии. Концентрационный магнитный фазовый переход ферромагнетик-геликоид и образование спинового стекла вблизи концентрации Хс-0,4.
2. Наличие ближнего магнитного порядка и изменение угла по- ворота спинов спирали f в зависимости от концентрации Zn в исследованных шпинелях при 4,2 К,
Определение, из нейтрон-дифракционных данных амплитуды когерентного рассеяния тепловых нейтронов изотопом кадмий - 114.
Нейтронографическое исследование катионного распределения и магнитной структуры в системах ферритов-гранатов
Са3"^Ч5_хГед5_х0/2(Х4О,3) И Y3In>xFeF.2A(X^,5).
Нейтронографическое исследование магнитной фазовой диаграммы (Х,Т) системы гексаферритов Duty х 12-2Х /9 Концентрационные магнитные фазовые переходы: ферримагнетик-геликоид -антиферромагнетик - парамагнетик при 4,2 К.
Эффект расщепления сателлитов геликоида для гексаферритов типа М. Обнаружение неоднородных магнитных спиральных структур в ва ^ л f2-2X f9 яр11 X ^ 1,2. .
Магнитные структуры и.взаимодействия их формирующие
Применение метода нейтронографии постоянно приводит к обнаружению новых магнитных структур. И в данном случае эксперимент давно опережает теорию. Развитый в книге [Z ] метод симметрийно-го анализа магнитных структур должен существенно облегчить нейтро-нографическую расшифровку сложных магнитных структур.
В данном разделе мы приведем основные простые типы магнитных структур с помощью которых можно "сконструировать" любую сложную магнитную структуру. Магнитные структуры твердых тел можно разделить на имеющие магнитную элементарную ячейку и не имеющие таковой. К первой группе относятся.коллинеарные (ферро-, ферри-и антиферромагнетики) и неколлинеарные (угловые, слабоферромагнитные, зонтичные и многоосные) магнетики. Ко второй группе относятся: геликоидальные (спиральные) магнитные структуры, спиновые стекла и аморфные магнетики (металлические стекла).
Ферро- и антиферромагнитные структуры, образуют, как правило, магнитные моменты атомов одного сорта, занимающие одинаковые кристаллографические позиции. Ферримагнетики существуют при наличии двух и более сортов магнитных атомов, когда магнитные моменты атомов (ионов) антипараллельны и не равны по величине.
class2 НЕИТРОНОГРАФИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ ХАЛЬКОШШ*
НЕЛЕЙ С ЗАМЕЩЕНИЕМ А-КАТЙОНА class2
Краткий обзор магнитных структур шпинелей
В настоящее время наряду с окисными магнетиками-ферритами, нашедшими широкое применение в электронике и радиотехнике, внимание исследователей привлекает новый клас магнетиков-магнитные полупроводники При этом, наиболее важным является решение вопроса о взаимодействии электрической и магнитной подсистем в магнитных полупроводниках Широко исследуются, в основном, соединения типа и О (S ,,Se, Те) со структурой Na Сі и Cd Crz Je (S, Те, 8r ) со стурктурой шпинели»
В данных соединениях существование взаимодействия между магнитными ионами и свободными носителями тока приводит к зависимости электрических и оптичеоких свойств от намагниченности материала, которую можно менять наложением внешнего магнитного поля или изменением температуры. Наличие такого сочетания свойств может обусловить широкое применение магнитных полупроводников в практике и обнаружение новых физических эффектов, ранее не наблю-г давшихся в магнитодиэлектриках и металлах Аналогично обычным полупроводникам, свойства магнитных полупроводников чувствительны к химическому составу , подобно легированию, замещение одних атомов в них на другие позволит получать материалы с новыми свойствами Тем не менее, в большинстве случаев отсуствует рецепт изготовления материала с нужными свойствами,так как неизвестен, к примеру, механизм влияния тех или иных атомов на магнитную структуру Целью данной работы было нейтронографическое исследование изменения магнитной структуры в зависимости от состава в замещенных системах Cd Ct Se (х=о с, дх=о,і) и Wg Zn G Se 57 _ (X=Q+I, A X=0,I) - халькошлянелях. Так как нейтронографическое исследование соединений, содержащих естественный кадмий затруднено, из-за сильного поглощения нейтронов, то при синтезе мы использовали кадмий-114, который слабо поглощает тепловые нейтроны.
class3 КАТИОННОЕ РАСПРЩЕЛЕНИЕ И МАГНИТНАЯ СТРУКТУРА
ЗАМЕЩЕННЫХ ФЕРРИТОВ-ГРАНАТОВ class3
Кристаллографическая.и атомная, структура гранатов
Большое значение для техники имеет исследование магнитных веществ типа ферритов, которые представляют собой окислы переходных элементов. Одними из важных и интересных, благодаря сочетанию раз-линых физических свойств, являются ферриты-гранаты. Ферриты-гранаты представляют собой диэлектрики (поскольку все катионные узлы заняты) с сопротивлением порядка Кг? ом.см при комнатной темпе-ратуре. Из-за малого затухания при высоких частотах линии микроволнового резонанса имеют очень малую ширину, что весьма ценно для техники СВЧ (ширина линии I-ЮОэ по сравнению с ЮО-ЮООэ в других известных ферритах). Редкоземельные ферриты-гранаты прозрачны в видимой и красной областях спектра; при комнатной температуре фарадеевское вращение имеет в них величину I08 10 см # Благодаря большому магнитооптическому эффекту ферриты-гранаты могут найти применение в магнитооптических приборах. Магнитные свойства ферритов-гранатов хорошо поддаются объяснению с точки зрения теории молекулярного поля, но это не вносит ясности в вопрос о природе обменных сил. Кристаллическая структура слишком сложна (элементарная ячейка содержит 160 атомов) для того, чтобы можно было детально изучить волновые функции и их степень перекрытия с помощью современных вычислительных средств.
Соответственно, сейчас многие задачи, касающиеся их магнитных свойств и кристаллохимической структуры остаются неизученными.
Кристаллическая, атомная и магнитная структура 144 гексаферритов типа М ( Ва. те Ц )
Данная глава посвящена исследованию магнитных структур в системе гексаферритов типа М на основе В a J6 0 Гексаферриты, как и ферриты-гранаты, успешно применяются в устройствах СВЧ-техники потону, что имеют большое электросопротивление.
Гексаферриты -одноосные магнетики и, в сравнении с изотропными, применение их в СШ устройствах миллиметрового диалазона позволяет снизить необходимые внешние подмагничиващие поля (с Юкэ до 1кэ). При этом, вес и габариты устройств резко уменьшаются. Гексаферриты характеризуются большими значениями намагниченности насыщения ( М0= 000+5000 гс , при T-S00H ) и большими полями анизотропии ( Нв 2000э ) 0/,120] . Наличие у гексаферритов высокой анизотропии и оси преимущественного намагничивания позволяет использовать их в качестве постоянных магнитов, применяемых в технике.
Гексаферриты синтезированы позже ферритов-гранатов и их изготавливают как ввиде текстурированной керамики, так и ввиде монокристаллов
Опыт показывает, что вариации химического состава гексаферритов приводят к изменению, в ряде случаев, их анизотропии и магнитной структуры. Однако, макроскопические методы не позволяют определить с чем связано это изменение. Применение нейтронографии позволило обнаружить, что при замещении ионов в ПИ1 -гексаферри-тах образуются сложные блочные угловые и спиральные магнитные структуры [Мб J. Однако, в этой работе практически не было исследований систем гексаферритов с последовательным и полным замеще-нием ионов ft на другие катионы.
Похожие диссертации на Нейтронографическое исследование магнитных фазовых диаграмм шпинелей 114Cd(Hg)1-xZnxCr2Se4 и гексаферритов BaCoxTixFe12-2xO19
