Спиновые и магнитные свойства трехъядерных строительных блоков молекулярных магнетиков Климов, Александр Васильевич

Введение к работе

Актуальность темы. Получение и синтез новых магнитных материалов является одним из приоритетных направлений современных физики и химии. Такими перспективными магнитными материалами являются органические и молекулярные магнетики [1–5]. Чтобы получить эти магнетики необходимо иметь «строительный материал» – высокоспиновые органические или металлорганические молекулы, знать как этот материал организовать в молекулу с упорядоченным выстраиванием электронных спинов и организовать достаточно высокую температуру магнитного фазового перехода (точку Кюри, Нееля), высокую намагниченность и доменную структуру.

Удобными «строительными блоками» новых магнетиков, способных комбинировать магнитные и полупроводниковые свойства, являются комплексы и кластеры переходных d- и f-металлов с органическими лигандами [5]. Практически неограниченные возможности химического синтеза и дизайна пространственной организации комплексов позволяют получать самые разнообразные магнитные структуры и, в принципе, даже такие экзотические, как решетки кагоме, состоящие из треугольных элементов.

Синтез «треугольных» молекулярных магнетиков открывает новые возможности в создании геометрически фрустрированных магнитных систем. Даже двумерные геометрически фрустрированные системы привлекли повышенный интерес в связи с возможностью обнаружения новых спиново-разупорядоченных состояний, таких как спиновые жидкости и стекла. Чаще всего фрустрированными являются системы с треугольной элементарной ячейкой в решетке, в узлах которой находятся магнитные ионы [6]. С тех пор, как состояние спиновой жидкости было теоретически предсказано в 1973 для гейзенберговских антиферромагнетиков со спинами S = 1/2 на треугольной решетке, они стали объектом теоретических и экспериментальных

исследований [7]. Однако, количество известных фрустрированных неорганических магнетиков невелико, поэтому синтез и исследование физических свойств новых «строительных блоков» органических магнитных материалов с новыми свойствами поможет и создать новые магнитные материалы, и решить актуальные проблемы магнетизма.

Целью представляемой работы является теоретическое описание базовых магнитных свойств треугольных комплексов типа Cu₃L₃, Ni₃L₃, синтезированных в ОГУ и гетероионных комплексов NiCu₂L₃ и Ni₂CuL₃, которые могут быть получены в перспективе, на основе модели изотропного обменного гамильтониана.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

Рассчитать основные спиновые и магнитные состояния треугольных комплексов с тремя одинаковыми ионами в трехъядерном треугольном кластере (комплексы типа Cu₃L₃ и Ni₃L₃)

Рассчитать основные спиновые и магнитные состояния треугольных гетероионных комплексов, содержащих два одинаковых иона и третий отличный от них по заряду и спину (комплексы типа NiCu₂L₃ и Ni₂CuL₃).

Исследовать магнитные свойства треугольных комплексов Cu₃L₃ и Ni₃L₃.

Произвести количественную оценку характеристик треугольных комплексов.

Научная новизна работы.

1. 1. Рассчитаны магнитные основные состояния и свойства треугольных комплексов Cu₃L₃ и Ni₃L₃, впервые синтезированных в Оренбургском государственном университете.

   2. Рассчитаны возможные основные состояния трехядерных гетероионных комплексов типа Cu₂NiL₃ и Ni₂CuL₃.

   3. Показано, что треугольные комплексы обладают необычными спиновыми конфигурациями, которые образуют 120-структуру у Ni₃L₃, описываются только матрицей плотности у Cu₃L₃, не зависят от соотношения обменных констант у Cu₂NiL₃ и Ni₂CuL₃.

   4. Построены температурные и магнитнополевые зависимости ЧЕГО ОТ ЧЕГО треугольных комплексов Cu₃L₃ и Ni₃L₃. Показано, что температурные зависимости качественно меняют свой вид при различных значениях магнитного поля, а магнитнополевые зависимости могут скачкообразно меняться при изменении магнитного поля при сверхнизких температурах.

   5. Предсказано новое явление – магнитноиндуцированый спиновый кроссовер в трехъядерных комплексах переходных металлов и даны оценки его характеристик.

   Практическая значимость диссертации заключается в следующем.

   1. Треугольные комплексы переходных металлов являются перспективными строительными блоками новых типов молекулярных магнетиков.

   2. Треугольные комплексы переходных металлов позволят получить фрустрированные молекулярные магнетики.

   3. Магнитноиндуцированный спиновый кроссовер позволяет создать новые методы оценки обменных взаимодействий в строительных блоках молекулярных магнетиков.

   Основные положения, выносимые на защиту:

   1. Среди возможных спиновых состояний комплекса Ni₃L₃ с полным электронным спином S = 0, 1, 2, 3 низшей энергией обладает «диамагнитное» состояние S = 0 с полной компенсацией трех спинов S_i = 1 в симметричной пространственной и магнитной структуре.

   2. Основное спиновое состояние комплекса Cu₃L₃, удовлетворяющее условиям симметрии, можно описать лишь с помощью спиновых матриц плотности.

   3. Существуют основные состояния с некомпланарной спиновой структурой у гетероионных комплексов типа (Cu₂Ni)L₃ и (Ni₂Cu)L₃, вид спиновых функций основного состояния которых зависит от отношения обменных констант гамильтониана.

   4. Температурные зависимости среднего магнитного момента трехъядерных комплексов Ni₃L₃ и Cu₃L₃ сильно зависят от магнитного поля.

   5. В трехядерных комплексах возможен магнитноиндуцированный спиновый кроссовер, при котором изменяется полный спин комплекса без изменения спина отдельных ионов. Регистрация магнитно индуцированного спинового кроссовера в трехъядерных комплексах позволяет экспериментально оценить величину обменного взаимодействия.

   Личный вклад соискателя. Автор участвовал в постановке задач, в получении и анализе всех результатов.

   Апробация работы. Материалы диссертации представлены на следующих международных и российских конференциях: 4-й русско-японский семинар «Магнитные эффекты в молекулярных и биофизических системах» (Оренбург, Россия 16-19 Сентябрь, 2009), Международная научная конференция молодых учёных «Ломоносов-2009» (Москва, Россия, 11-14 апреля 2009), II Всероссийская школа-семинар «Наноматериалы-2009» (Россия, Рязань, 21-26 сентября 2009), 5-й русско-японский семинар «Магнитные эффекты в молекулярных и биофизических системах» (Оренбург, Россия 15-17 Сентября, 2010), III Всероссийская школа-семинар «Наноматериалы-2010» (Россия, Рязань, 27 сентября – 6 октября 2010), 45-я школа ПИЯФ РАН по физике конденсированного состояния (ФКС-2011) (Россия, Санкт-Петербург, 14-19 марта, 2011), VIII International Voevodsky Conference “Physics and Chemistry of Elementary Chemical Processes” (Россия, Новосибирск, 2012), Международная балтийская школа по физике конденсированного состояния и магнетизму (Россия, Калининград 2012).

   Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 2 статьях в российских журналах из перечня ВАК и в 8 тезисах докладов международных и всероссийских конференций.

   Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, трёх глав, содержащих оригинальные результаты, выводов и списка цитируемой литературы. В конце каждой главы, за исключением литературного обзора, приведены резюме. Работа изложена на 110 страницах и содержит 57 рисунков.

   Похожие диссертации на Спиновые и магнитные свойства трехъядерных строительных блоков молекулярных магнетиков

   

   Спектральные и термодинамические свойства магнетиков со сложными обменными взаимодействиямиФедосеев Борис Валерьевич

   

   Влияние катионных замещений на магнитную микроструктуру и на электронные свойства оксидных магнетиков с ЯН-теллеровскими ионами Халед Мохамед Ахмед Румих

   

   Магнитные свойства неупорядоченных магнетиков - спиновых и дипольных стеколЛесных Юрий Иванович

   Термодинамические свойства низкоразмерных ифрустрированных магнетиков в рамкахсамосогласованной спин-волновой теорииКатанин, Андрей Александрович

   

   Исследование термодинамических и критических свойств сложных моделей магнетиков методами Монте-КарлоИбаев Жавраил Гаджиевич

   

   Структура и магнитные свойства кубических геликоидальных магнетиков Fe(1-x)Co(x)Si и Mn(1-y)Fe(y)SiДядькин Вадим Александрович

   

   Влияние спиновых флуктуаций на электронную структуру и физические свойства полуметаллических слабых зонных магнетиков Аношина Ольга Владимировна

   

   Аномальные динамические свойства магнетиков при низких температурахСыромятников, Арсений Владиславович

   Квантовые фазовые переходы и низкотемпературные свойства магнетиков с целым спином и большой одноионной анизотропией типа "легкая плоскость"Сизанов, Алексей Владимирович

   

   Электрические транспортные характеристики и магнитные свойства магнетиков с мелкомасштабными неоднородностями Сбойчаков Артем Олегович