Исследование магнитных свойств ферритов-шпинелей с фрустрированной магнитной структурой Кукуджанова, Елена Николаевна

Введение к работе

Актуальность темы. В последнее время большое внимание уделяется изучению магнитных свойств веществ, имеющих фрустрированную магнитную структуру. Фрустрнрованная магнитная структура представляет собой структуру с порванными магнитными связями (фрустрация -разочарование). В результате разбавления магнитной структуры немагнитными ионами некоторые магнитные моменты могут выпасть из кооперативного взаимодействия и будут существовать как отдельные парамагнитные центры [1]. При дальнейшем разбавлении возникают отдельные спонтанно намагниченные области. Таким образом, в зависимости от степени разбавления фрустрнрованная магнитная структура может быть представлена либо как ферромагнитная матрица, в которой присутствуют отдельные парамагнитные центры, либо как отдельные спонтанно намагниченные области, образованные как дальним, так и ближним магнитным порядком.

В литературе имеется много сообщений об экспериментальных и теоретических исследованиях поведения магнитных свойств разбавленных сплавов, в то время как работ по изучению оксидных ферритов-шпинелей с фрустрированной магнитной структурой имеется очень мало. Однако, такие ферриты обладают необычными магнитными свойствами, которые отличаются от аналогичных свойств магнитных материалов с ферримагнитным упорядочением. Таким образом, проведение экспериментальных работ по изучению магнитных свойств ферритов с фрустрированной магнитной структурой крайне важно как для создания новых магнитных материалов для техники, так и для более глубокого понимания физики ферритов.

Разбавленные ферриты со структурой шпинели являются подходящими объектами для образования в них как состояния спинового стекла, так и фрустрированной магнитной структуры, так как в них могут иметь место

различные типы беспорядка и фрустрации [2]. Структура типа спиновое стекло представляет собой магнитные моменты, "замерзшие" в произвольных направлениях. В последнее время появились работы [3, 4], в которых структуру типа спиновое стекло нашли и в неразбавленных ферритах-шпинелях. Авторы этих работ предполагают, что ответственными за беспорядок и фрустрацию являются ионы Сг '.

Экспериментальные работы по исследованию разбавленных ферритов-шпинелей посвящены, в основном, поиску в них состояния спинового стекла, и поэтому в низких температурах исследуются такие магнитные свойства как восприимчивость, намагниченность в слабом поле, вязкость, теплоемкость. Однако, ферриты, у которых еще существует дальний магнитный порядок, также могут обладать интересными магнитными свойствами. Поэтому в диссертационной работе мы ограничились такими соединениями. Также следует заметить, что при исследовании разбавленных ферритов-шпинелей очень мало внимания уделяется изучению поведения коэрцитивной силы, магнитострикции, магнитосопротивления и магнитной анизотропии этих ферритов.

Цель работы. Цель данной диссертационной работы заключалась в том, чтобы выяснить, как в медном феррите CuFe₂04 замещение ионов Fe³⁺ на немагнитные ионы Ga³⁺ и А1³⁺ приводит к трансформации его ферримагнитной структуры во фрустрированную. С этой целью при выборе объектов исследования были использованы результаты работы Пула и Ферача [5], в которой для ферритов-шпинелей были установлены области существования ферримагнетизма, парамагнетизма, антиферромагнетизма и фрустрированной магнитной структуры или спинового стекла в зависимости от замещения магнитных ионов на немагнитные в А- и В-подрешетках.

Вместе с тем представляло интерес выяснить, как в медном феррите CuFe₂0₄ замещение ионов Fe³⁺ на большое количество магнитных ионов Сг³⁺, между которыми в В-подрешетке возникает сильный прямой отрицательный

з ВВ-обмен, отразится на характере магнитной структуры ферритов системы CuFe₂._xCr_x04.

Таким образом, в работе были поставлены следующие задачи:

1. Синтезировать ферриты-шпинели систем CuGa_xAl_xFe₂._2x04 (х=Ю.2; 0.3;
0.4; 0.5; 0.6 и 0.7) и CuGa_xAl_2xFe₂._3x0₄ (х=0.1; 0.2; 0.3; 0.4 и 0.5), у которых,
согласно работе [5], при замещениях х>0.5 в первой системе и х>0.3 во второй
системе может возникнуть фрустрированная магнитная структура или
состояние спинового стекла.

2. Исследовать магнитные, магнитострикционные и
магнитоэлектрические свойства приготовленных ферритов.

3. Провести сравнение магнитных свойств ферритов, у которых,
согласно [5], ожидается появление фрустрированной магнитной структуры, и
ферритов, имеющих ферримагнитное упорядочение.

4. Исследовать магнитные и магнитоэлектрические свойства ферритов
системы CuFe₂-_xCr_x04 (х=1.0; 1.4 и 1.6) с большим содержанием ионов Сг³⁺,
между которыми имеет место сильный прямой отрицательный ВВ-обмен, что
может быть причиной возникновения фрустрированной магнитной структуры.

Научная новизна работы.

1. Впервые по керамической технологии были синтезированы образцы двух систем CuGa_xAl_xFe₂__2xC>4 - система (I) (х=0.2; 0.3; 0.4; 0.5; 0.6 и 0.7) и CuGa_xAl_2xFe2-3_X04 - система (II) (х=0.1; 0.2; 0.3; 0.4 и 0.5) и исследованы их магнитные, магнитострикционные и магнитоэлектрические свойства.

2. Обнаружено, что у ферритов с х=0.5+0.7 системы (I) и с х=0.3-И).5 системы (II), у которых, согласно [5], может возникнуть фрустрированная магнитная структура, имеет место аномальное поведение спонтанной намагниченности a_s(T) и коэрцитивной силы Н_С(Т). Оказалось, что резкое уменьшение спонтанной намагниченности происходит при температурах (Т_п) более низких, чем уменьшение коэрцитивной силы (Тс). Найдено, что

поведение производной спонтанной намагниченности по температуре do_s/dT данных ферритов-шпинелей является аномальным: при повышении температуры величина da,/dT увеличивается, в некотором температурном интервале остается постоянной, затем снова уменьшается. Обнаружено, что у ферритов с х=0.6 и 0.7 системы (I) и х=0.4 системы (II) в районе температур Т_п и Тс имеет место изменение энергии активации Е_а.

3. Найдено, что у ферритов с х=0.6 системы (I) и х=0.4 системы (II) в районе температуры Т_п, при которой происходит резкое уменьшение спонтанной намагниченности, отсутствуют экстремумы на температурных зависимостях магнитосопротивлений (AR/R)|| и (AR/R)j_, которые обычно имеют место при переходе из структуры с дальним магнитным порядком в парамагнитное состояние.

4. Обнаружено, что у ферритов с х=0.5-г0.7 системы (I) и с х=0.3-ь0.5 системы (II) почти во всем исследованном интервале температур, начиная с малых магнитных полей, продольная Хц и поперечная Х± магнитострикции имеют положительный знак и приблизительно равны по величине, что означает, что магнитострикция за счет технического намагничивания в них незначительна, а наблюдается, в основном, магнитострикция парапроцесса.

5. Сделано предположение, что такое аномальное поведение магнитных, магнитострикционных и магнитоэлектрических свойств образцов с х=0.5-т-0.7 системы (I) и с х=0.3т-0.5 системы (II) возможно связано с образованием фрустрированной магнитной структуры в данных ферритах.

6. Обнаружено, что поведение магнитных и магнитоэлектрических
свойств ферритов-хромитов CuFe₂._xCr_x04 (х=1.0; 1.4 и 1.6) аналогично
поведению этих свойств у образцов с х=0.5-ь0.7 системы (I) и с х=0.3-г0.5
системы (II): т.е. резкое уменьшение спонтанной намагниченности a_s
происходит при более низких температурах (Т_п), чем падение коэрцитивной
силы (Т_с); в достаточно большом температурном интервале зависимость a_s(T)
имеет линейный характер; у ферритов с х=1.4 и 1.6 в районе температуры Т„

не наблюдается экстремума мапштосопротивлений, у состава с х=!.6 в районе температур Т_с и Т„ происходит изменение энергии активации П_а.

7. Сделано предположение, что аномальное поведение магнитных и магнитоэлектрических свойств ферритов системы CuFe2._xCi\04 (х=1.0; 1.4 и 1.6), может быть обусловлено наличием фрустрированной мапптюй структуры в этих составах, появление которой связано с сильным отрицательным ВВ-обменом между ионами Сг .

Практическая ценность результатов работы.

Полученные в диссертационной работе результаты необходимы как для построения физики ферритов с фрустрированной магнитной структурой, гак и для получения магнитных материалов с заранее заданными магнитными свойствами.

Особый интерес представляет результат о практически одинаковых температурных и нолевых зависимостях продольной Ац н поперечной Х± магнитострикций для образцов, обладающих фрустрированной магнитной структурой (составы с х=0.5 -ь 0.7 системы (I) и х=0.3-ь0.5 системы (N)). Из этих данных следует, что при наложении поля образец увеличивается почти одинаково как вдоль, так и поперек приложенного поля в большом температурном интервале. Такое поведение зависимостей А,ц(Т), A.j_(T), ^ц(Н) и Хх(Н) в ферритах со структурой шпинели было обнаружено впервые.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы представлялись и обсуждались на:

- Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным
наукам "Ломоносов-96", секция "физика", Москва, МГУ, 12-14 апреля 1996 г.;

- XV Всероссийской школе-семинаре "Новые магнитные материалы
микроэлектроники", Москва, 18-21 июня 1996 г.;

- 7 Международной конференции по ферритам, Бордо, Франция, 3-6 сентября
1996 г.;

Международном Симпозиуме по ферритам в Азии - ISFA'97, Макухари, Чиба, Япония, 16-18 сентября, 1997 г.

Международной конференции по мягким магнитным материалам 13 -SMM13, Гренобль, Франция, 24-26 сентября 1997 г.

- Всероссийской научно-практической конференции "Оксиды. Физико-
химические свойства и технология", Екатеринбург, 27-31 января, 1998 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов и списка цитируемой литературы. Диссертация изложена на 163 страницах, включающих 118 рисунков и 1 таблицу. Список литературы состоит из 76 наименований.