2
Оглавление
Оглавление.............................................................2
Введение...............................................................4
Глава 1 Электронная структура и электрические свойства гематита.......12
1.1. Кристаллическая структура и магнетизм гематита.............12
1.2. Электронная структура гематита.............................14
1.3.Электропроводность и магнитоэлектрические эффекты...........17
Глава 2 Магнитооптические свойства гематита в легкоплоскостном
состоянии....................................................23
2.1. Обзор теоретических и экспериментальных работ по магнитооптическому двулучепреломлению в гематите ..............23
2.2. Методика исследований и экспериментальная установка для измерения эффекта Коттона-Мутона-Фогта..........................28
2.3. Результаты экспериментальных исследований магнитооптического двулучепреломления в гематите...................................39
2.4. Интерпретация экспериментальных результатов и расчет магнитооптических констант......................................42
Глава 3 Магнитное двулучепреломление ультразвука в гематите...........50
3.1 Обзор теоретических и экспериментальных работ по магнитоакустическому двулучепреломлению в легкоплоскостных антиферромагнетиках.............................................50
3.2 Эхоимпульсная экспериментальная установка и методика исследований....................................................56
3.3. Результаты экспериментальных исследований акустического аналога эффекта Коттона-Мутона-Фогта............................71
3.4. Анизотропия скоростей магнитоупругих мод в легкой плоскости и расчет коэффициентов анизотропии................................74
3
3.5. Влияние ориентационного фазового перехода на характер
распространения ультразвука в гематите........................82
Заключение.............................................................90
Приложение.............................................................92
Список литературы......................................................98
4
Введение
Магнитные полупроводники (МП), т.е. вещества, сочетающие полупроводниковый тип проводимости с магнитным упорядочением, в последние годы все больше становятся объектами исследований. Это связано с тем обстоятельством, что они обладают рядом необычных физических свойств [1,2], а с другой стороны, могут и уже находят практические применения. В частности, МП необходимы для создания нового поколения систем записи информации, магнитных головок, датчиков и т.д. Причем наблюдается расширение номенклатуры интенсивно исследуемых МП. Достаточно упомянуть манганиты, имеющие общую структуру АВОз (где А - ионы Ьа, Ш, частично замещенные ионами Са, 8г, В - ионы Мп) и обладающие гигантским магнитосопротивлением [3,4].
Для МП характерна сильная взаимосвязь между электронной и магнитной подсистемами. Вследствие этого носители тока (электроны) могут влиять на магнитЕюе упорядочение, и наоборот, магнитное упорядочение может воздействовать на движение носителей. Эта связь может быть причиной ряда необычных свойств, таких как магнитные переходы ферромагнетик - антиферромагнетик, магнитосопротивление, структурные фазовые переходы.
Электрические и магнитные свойства МП чувствительны к изменению кристаллической решетки и отклонениям стехиометрии состава. Недавно также было отмечено сильное взаимодействие электронной и магнитной подсистем с решеточной подсистемой. Наличие в составе решетки ионов с сильным эффектом Яна-Теллера (Ре2+, Мп^, Т13+, Си2+) приводит к локальным искажениям кристаллической решетки, имеющим кооперативный характер, понижающий первоначальную симметрию кристалла [5]. Эти локальные деформации кристаллической структуры влияют на транспортные и магнитЕЕые характеристики МП. Наиболее ярко необычные свойства МП
5
проявляются вблизи магнитных фазовых и структурных переходов.
Расширение функциональных возможностей различных электронных приборов в первую очередь зависит от использования в них новых физических эффектов и соответствующих материалов, в которых эти эффекты хорошо проявляются. Достаточно упомянуть открытие нового класса материалов, обладающих эффектом высокотемпературной сверхпроводимости [6], или магнитных полупроводников, в которых наблюдается гигантское магнитосопротивление [3,4,7]. Особенностью этих материалов является необычное поведение не только электропроводности, но и магнитных, акустических, оптических и ряда других свойств.
К подобным веществам с необычными свойствами можно отнести и гематит - a-Fe203 - антиферро.магнетик ниже 950К и обладающий фазовым переходом первого рода (точка Морина) вблизи 260К. Ранее было установлено [8,9], что беспримесные образцы стехиометрического состава гх-Ре203 являются магнитными полупроводниками с собственной проводимостью, близкой к проводимости диэлектрика (10'10, Ом 'хсм 1 при Т ~ 300К). С повышением температуры до 800К проводимость возрастает на 8 - 10 порядков, что соответствует механизму проводимости в беспримесных полупроводниках. Легирование a-Fe203 (например ионами Ti3 * [8]) приводит к повышению проводимости при комнатных температурах на 4 - 6 порядков, что характерно для обычных примесных полупроводников.
С другой стороны, антиферромагнетизм гематита является причиной целого ряда ранее обнаруженных эффектов: электромагнитного эффекта Холла, магнитосопротивления [10-12]), акустических (двулучепреломление [13], нелинейность и самовоздействие акустических волн [14-18], акустический ЯМР и нелинейные спиновые явления [19,20]) и оптических (двулучепреломление [21-23] и акустоопгическая модуляция [24]). Большинство кинетических, акустических и оптических эффектов, связанных
6
с антиферромагнетизмом, было предсказало в теоретических работах Е.А.Турова и В.Г.Шаврова еще в начале шестидесятых годов прошлого века [25-27], а затем было получено их экспериментальное подтверждение. В указанных выше работах и ряде других исследований [28-31 ] были отмечены симметрийные закономерности антиферромагнитных эффектов, определяемых магнитной структурой и их зависимостью от магнитных полей. Результаты подобного подхода к линейным и нелинейным антиферромагнитным эффектам в кинетике, акустике и оптике подробно изложены в монографиях Е.А.Турова и его учеников [32-34]. Однако большинство экспериментальных исследований касалось какого-либо одного класса эффектов, и только в некоторых из них рассматривались такие сложные эффектЕл, как, например, акустооптическое взаимодействие [24]. Более того, в работах, выполненных в 60 - 80 годах, практически не рассматривались процессы и механизмы проводимости на микроскопическом уровне и их влияние на другие физические эффекты.
Новый этап исследования электронных структур в антиферромагнетиках и, в частности, в гематите [35-37] начался только в восьмидесятые годы и во многом был связан с обнаружением высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП), поскольку образование сверхпроводящего состояния связано как с антиферромагнитным упорядочением, гак и переходами металл - диэлектрик. Однако и в этих работах не рассматривались механизмы переноса носителей в зависимости от наличия примесных центров. Определенные сложности при анализе различных кинетических, акустических и оптических эффектов возникают вследствие того обстоятельства, что измерения были выполнены на различных образцах гематита - природных и синтетических с различным содержанием примесных центров и при различных режимах отжига. Таким образом, представлялось актуальным проведение экспериментальных исследований особенностей некоторых уже обнаруженных эффектов и поиск
7
новых, предсказанных теоретически, на одном образце гематита. Такие исследования перспективны в изучении взаимосвязи полупроводниковых, магнитных и упругих подсистем в гематите.
Целью работы являлось исследование электрических, магнитоакустических и магнитооптических взаимодействий и связи их с электронной структурой гематита.
Научная новизна.
1. Впервые обнаружена зависимость коэффициента оптического двулучепреломления гематита (а-Ре20з) от магнитного поля, определены элементы тензора диэлектрической проницаемости гематита с учетом обнаруженной зависимости.
2. В монокристалле гематита впервые обнаружено и исследовано магнитоакустическое двулучепреломление вдоль тригональной оси.
3. Впервые обнаружена анизотропия скоростей магнитоупругих мод в легкой плоскости гематита, оценены константы анизотропии.
4. Впервые обнаружены и исследованы аномалии в скорости и затухания ультразвуковых волн в окрестности ориентационного фазового перехода между коллинеарной и неколлинеарной ангиферромагиитной фазой гематита.
5. Проведен анализ экспериментальных фактов и разработана модель влияния структурных и примесных ян-телеровских ионов на транспортные и магнитоакустические характеристики монокристалла гематита.
Практическая значимость.
Разработанные методы измерения магнитооптических и
магнитоакустических характеристик могут быть использованы для исследований различных магнитоупорядоченных сред. Настоящая работа
8
предстаапяет интерес с точки зрения управления оптическими и акустическими пучками посредством внешнего магнитного поля: поворот поляризации, отклонение акустических пучков, изменение скорости акустической волны (управляемая магнитным полем ультразвуковая линия задержки).
На защиту выносится.
1. Электропроводность кристаллов гематита определяется наличием структурных и примесных ионов с сильной электрон-фононой связью. При их отсутствии гематит обладает проводимостью, характерной для диэлектрика. С ростом концентрации структурных (Ре“") или примесных (например Тг1+) ионов его проводимость приобретает примесный полупроводниковый характер.
2. Обнаруженная зависимость оптического двулучепреломления от напряженности внешнего магнитного поля определяется характером зависимости тензора диэлектрической проницаемости от параметра порядка антиферромагнетизма и напряженностью магнитного поля.
3. Обнаруженное индуцированное магнитным полем изменение скорости распространения поперечных магнитоупругих волн вдоль тригональной оси кристалла гематита определяется магнитоупругим взаимодействием, которое в антиферромагнетиках зависит от кристаллографической магнитной анизотропии в базисной плоскости.
4. Обнаруженное изменение скорости и затухания быстрой акустической волны и трансформация акустической моды для медленной волны в окрестности ориентационного магнитного перехода зависит от характера флуктуаций между ионами с различной валентностью (Ре2" и Ре3").
Общая структура работы.
Диссертация состоит: из введения, трех глав, заключения, приложения,
- Київ+380960830922