Резонансный магнитоэлектрический эффект в оксиде хрома и борате железа Никифоров Игорь Сергеевич

Введение к работе

Актуальность темы

В настоящее время большое внимание уделяется созданию и исследованию материалов, обладающих магнитоэлектрическими (МЭ) эффектами. Большой интерес представляет наличие в таких материалах взаимодействующих между собой электрической и магнитной подсистем кристалла [1, 2]. Исследованный в диссертационной работе резонансный МЭ эффект наблюдается в области магнитного резонанса и заключается в сдвиге резонансной линии во внешнем электрическом поле. Резонансный МЭ эффект может быть использован для построения СВЧ устройств: электрически управляемых фазовращателей, фильтров, модуляторов, переключателей. Управление электрическим полем позволяет: повысить быстродействие благодаря меньшей инерционности управляющей системы и меньшего времени релаксации в материале; снизить мощность, потребляемую в цепи управления, поскольку при управлении электрическим полем энергия потребляется практически в момент переключения; избавиться от наводок, неизбежно возникающих при управлении магнитным полем; осуществить развязку цепей управления одновременно электрическим и магнитным полями; упростить конструкцию и технологию изготовления приборов, перейти к интегральным устройствам управления; расширить функциональные возможности СВЧ приборов [3]. По сравнению с большим объемом исследований, выполненных на МЭ материалах с магнитным упорядочиванием на низких частотах [4-6] данных об их поведении в диапазоне СВЧ пока недостаточно, хотя диапазон СВЧ, в особенности область магнитного резонанса, представляет наибольший интерес для исследования свойств МЭ материалов. В этом диапазоне появляется возможность использовать измерительную аппаратуру с повышенной чувствительностью, что позволяет обнаружить весьма слабые по величине эффекты. При разработке и конструировании устройств функциональной электроники СВЧ на основе резонансного МЭ эффекта необходимо иметь модель расчета величины сдвига линии магнитного резонанса во внешнем электрическом поле. Для решения этой задачи в диссертационной работе впервые, на примере кристаллов Сг₂Оз и FeB0₃, в одноионном приближении построена микроскопическая модель резонансного МЭ эффекта. Предложенная модель позволяет проводить теоретические расчеты для кристаллов различной структуры, и находить зависимость между внешним воздействием на кристалл и величиной результирующего эффекта. Микроскопическая модель объясняет физическую природу явления и позволяет получить новые знания о механизме МЭ взаимодействия.

j ЮС НАЦИОНАЛЬНА* Ї
I БИБЛИОТЕКА I

_{! ft»H}

Цель и задачи работы

Целью работы является построение микроскопической модели магнитоэлектрического эффекта в области магнитного резонанса, выявление и объяснение механизмов, ответственных за появление эффекта в кристаллах с различной симметрией и содержащими магнитные ионы с разными электронными конфигурациями.

В ходе работы ставились следующие задачи:

1. Выявить причину плохой сходимости рядов для нечетных гармоник потенциала внутрикристаллического поля;

2. Построить метод расчета кристаллического потенциала, приводящий к быстрой сходимости рядов;

3. Рассчитать матричные элементы операторов электрон-электронного взаимодействия, оператора кристаллического поля, оператора спин-орбитального взаимодействия и оператора взаимодействия магнитного иона с эффективным магнитным и внешним электрическим полем;

4. Предложить метод расчета энергетической структуры ионов, находящихся в 5- состоянии;

5. Рассчитать уровни энергии и волновые функции магнитных ионов кристаллов Сг₂Оз и FeB0₃;

6. Сопоставить рассчитанные уровни энергии с экспериментальными данными, полученными из оптических спектров;

7. Определить изменение энергии магнитной анизотропии под действием внешнего электрического поля;

8. Теоретически рассчитать сдвиг линии магнитного резонанса во внешнем электрическом поле;

9. Выработать рекомендации по практическому использованию полученных результатов в электронике СВЧ.

Научная новизна работы

10. Предложен метод расчета потенциала внутрикристаллического поля в ионных соединениях. Установлено, что при суммировании не по сфере, а по симметричной ячейке потенциал кристаллического поля сходится к конечному значению уже после нескольких трансляций. Для кристаллов О/? и FeB0₃ определены величины четных и нечетных компонент кристаллического ПОЛЯ. Показано, что результаты расчета четных гармоник кристаллического потенциала совпадают с результатами, полученными методом «суммирования по комплексам»;

11. Рассчитаны волновые функции иона Сг₂0₃ и энергетическая структура кристалла О/? под воздействием электрон-электронного взаимодействия и кристаллического потенциала. Рассчитан вклад спин-орбитального взаимодействия в свободную энергию кристалла Сг₂0_з и определено изменение свободной энергии под действием внешнего электрического поля;

12. Показано, что резонансный магнитоэлектрический эффект в кристалле Сг₂0₃ связан с изменением энергии магнитной анизотропии под действием внешнего ' электрического поля. Теоретически рассчитана величина сдвига

резонансной частоты в кристалле Сг^Оз под действием внешнего электрического поля;

4. На примере кристалла FeBOj разработана методика расчета уровней энергии магнитных ионов в S-состоянии. Определены волновые функции иона Fe³⁺ и расщепление основного терма ⁶S под действием спин-орбитального взаимодействия с более высокими состояниями;

5. Вычислен вклад в свободную энергию кристалла РеВОз, который можно считать энергией магнитной анизотропии кристалла, и определено ее изменение под действием внешнего электрического поля. Проведена количественная оценка сдвига линии магнитного резонанса в кристалле FeB0₃ под действием внешнего электрического ПОЛЯ.

Практическая ценность

1. Предложенная модель расчета потенциала внутрикристаллического поля может быть адаптирована для различных ионных структур;

2. Микроскопическая модель резонансного МЭ эффекта позволяет рассчитать величину сдвига линии магнитного резонанса, что может быть использовано при разработке и проектировании устройств функциональной электроники СВЧ;

3. Методику расчета магнитных ионов находящихся в S-состоянии можно использовать при расчете других эффектов в кристаллах с ионами в S-состоянии;

4.Полученные в ходе работы уровни энергии и волновые функции ионов Сг и Fe³⁺ могут использоваться для описания и расчета других эффектов в кристаллах Cr^Oj и FeB0₃;

5. Построенная в одноионном приближении микроскопическая модель резонансного МЭ эффекта объясняет физическую природу явления и позволяет получить новые знания о механизме МЭ взаимодействия.

Научные положения, выносимые на защиту

4. В одноионном приближении построена микроскопическая модель резонансного МЭ эффекта на примере кристаллов Сг₂Оз и РеВОз- При разработке и проектировании устройств функциональной электроники СВЧ модель позволяет рассчитать сдвиг линии магнитного резонанса;

5. Расчет коэффициентов разложения кристаллического потенциала суммированием не по сфере, а по симметричной ячейке для ионных кристаллов приводит к быстрой сходимости членов ряда;

6. При расчете уровней энергии и волновых функций магнитных ионов в кристаллах СГ2О3 и РеВОз требуется одновременно учитывать электрон-электронное взаимодействие и взаимодействие с внутрикристаллическим полем;

7. Расщепление нижнего уровня энергии ⁶S в кристалле FeB0₃ обусловлено спин-орбитальным взаимодействием, которое возникает в результате взаимодействия между уровнем ⁶S и уровнями, образованными в результате смешивания кристаллическим полем состояний ( Р, D, Р, G);

5. Сдвиг частоты магнитного резонанса под действием электрического поля в кристалле оксида хрома связан с изменением энергии магнитной анизотропии. Это изменение возникает в результате совместного действия нечетной части потенциала кристаллического поля, спин-орбитального взаимодействия и внешнего электрического поля;

6. Сдвиг высокочастотной ветви колебаний в борате железа под действием электрического поля происходит с одной стороны в результате изменения поля Дзялошинского, с другой стороны в результате совместного действия спин-орбитального взаимодействия и внешнего электрического ПОЛЯ.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались на Международных и Российских конференциях, в том числе: Всероссийская школа-конференция молодых ученых по квантовой и вычислительной химии им. В. А. Фока, Великий Новгород, 1998; 2-nd V. A. Fock АН-Russian School (conference) on Quantum and Computational Chemistry, Velikiy Novgorod, 2000; VIII научная конференция преподавателей, аспирантов и студентов, Великий Новгород, 2001; Третья всероссийская школа-конференция по квантовой и вычислительной химии им. В. А. Фока, Великий Новгород, 2001; IV Conference (MEIP1C-4) MAGNETOELECTRIC INTERACTION PHENOMENA IN CRYSTALS, Velikiy Novgorod, 2001; Международная конференция по физике электронных материалов (ФИЭМ'2002), Калуга, 2002; Пятая всероссийская школа-конференция по квантовой и вычислительной химии им. В. А. Фока, Великий Новгород, 2002; IV Международная научно-техническая конференция: Электроника и информатика - 2002, Москва, 2002; (MEIPIC-5) MAGNETOELECTRIC INTERACTION PHENOMENA IN CRYSTALS, Ukraine, Sudak, 2003; Всероссийская научная конференция студентов-физиков (ВНКСФ), Москва, 2004.

Внедрение

Результаты работы использованы при выполнении госбюджетной НИР 1.115.98Ф «Исследование механизмов резонансного магнитоэлектрического эффекта в материалах функциональной электроники СВЧ», выполненной по заданию Министерства образования РФ.

Результаты работы используются в учебном процессе по дисциплине «Квантовая механика» на кафедре Физики твердого тела и микроэлектроники в Новгородском государственном университете имени Ярослава Мудрого.

Научные исследования по диссертационной работе поддержаны грантами: грант Министерства образования РФ для студентов, аспирантов, молодых ученых (МОО-2.4Д-706); грант Министерства образования РФ для поддержки научно-исследовательской работы аспирантов высших учебных заведений (Е02-3.4-278).

Публикации

По результатам работы опубликовано 18 научных работ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и трех приложений.

Похожие диссертации на Резонансный магнитоэлектрический эффект в оксиде хрома и борате железа

Анализ морфофункционального состояния щитовидной железы в прогнозировании радиомодифицирующего эффекта измененной газовой средой и электромагнитным излучением СВЧ-диапазонаЛогачева Вера Васильевна

Роль поверхностных эффектов в процессе электрохимического растворения железа Морозов Сергей Геннадьевич

Ударно-волновой синтез допированного хромом ультрадисперсного оксида алюминия и его свойстваЛямкина Нина Эрнстовна

Структура и свойства поверхностного слоя деталей из серого чугуна после упрочнения оксидами железа и хромаФролов, Виктор Александрович

Изометричные монокристаллы бората железа: магнитные и магнитоакустические эффектыСтругацкий Марк Борисович

Структурно-размерные эффекты в катализе реакций хлоруглеводородов наночастицами оксидов железа на кремнеземахКиселева Ольга Ивановна

Исследование динамики доменных границ в борате железа оптическими методамиТерещенко, Валерий Дмитриевич

Взаимодействие упругой, спиновой и магнитной подсистем в борате железаХизбуллин Радик Накибович

Высокочастотные акустические и магнитные исследования бората железа и слаболегированных лантан-стронциевых манганитов состава La1-xSrxMnO3 (0.12 < x < 0.175)Булатов, Альберт Рунарович

Сосудисто-паренхиматозные взаимоотношения в щитовидной железе при моделировании анаболического эффектаРоманов Валерий Аркадьевич