-2-
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.
ГЛАВА 1. ПРОЯВЛЕНИЕ ДОМЕННОЙ СТРУКТУРЫ И ДИНАМИКИ МОНОДОМЕНИЗАЦИИ ЕеВ03 В СИГНАЛАХ ЯМР..............................14
1.1 Введение .................................................14
1.2 Кристаллическая, магнитная и доменная структуры бората железа.. 17
1.3 Методика и геометрия ЯМР измерений. Образцы...............22
1.4 Результаты эксперимента...................................25
1.5 Теоретическая интерпретация...............................33
ГЛАВА 2. ВЛИЯНИЕ ДОМЕННОЙ СТРУКТУРЫ НА РАЗМЕРНЫЙ МАГНИТОУПРУГИЙ РЕЗОНАНС В ЕеВ03 ................................ 42
2.1 Введение ............................................... 42
2.2 Техника и методика измерений размерного магнитоупругого резонанса. Требования к образцам в акустических экспериментах... 45
2.3 Результаты эксперимента...................................52
2.4 Теоретическая интерпретация...............:...............53
ГЛАВА 3. ПОЛЕВАЯ ЗАВИСИМОСТЬ И ДИСПЕРСИЯ СКОРОСТИ ЗВУКА В ЬеВОз В УСЛОВИЯХ ЯМАР.....................................59
3.1 Введение ............................................... 59
3.2 Экспериментальная техника ЯМАР. Импульсный спектрометр ЯМАР на частоты (10-ь 100) МГц.................................60
3.3 Экспериментальная методика измерения скорости звука.......72
3.4 Результаты эксперимента...................................77
3.5 Теоретическая интерпретация...............................82
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................... 96
-3-
АВТОРСКИЙ СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ. ЛИТЕРАТУРА.......................
ч
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ СОКРАЩЕНИЯ
АФЛП - антиферромагнетик легкоплоскостной
ВЧ - высокочастотный
дсч - динамический сдвиг частоты
лп - легкоплоскостной
МУ - магнитоупругий
РМУР - размерный магнитоупругий резонанс
РЧ - радиочастотный (диапазон, импульс, поле и др.)
ств - сверхтонкое взаимодействие
УЗ - ультразвуковой
ЯМАР - ядерный магнитоакустический резонанс
ЯМР - ядерный магнитный резонанс
лев - ядерные спиновые волны
-5-
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в физике магнитоупорядоченных веществ большое внимание уделяется изучению доменных структур, которые присущи в нулевом и слабых магнитных полях большинству ферро- и антиферромагнетиков и ферритов [1,2]. При наличии доменной структуры - доменов с различным направлением намагниченности и доменных границ между ними с сильной неоднородностью намагниченности - магнитная подсистема этих веществ представляет собой сложную, пространственно неоднородную магнитную систему, что оказывает существенное влияние практически на все их свойства. Так, например, пространственная неоднородность намагниченности приводит, вследствие эффекта магнитострикции, к возникновению локально неоднородной деформации, изменяя тем самым упругие свойства и, следовательно, параметры распространяющегося в образце звука. Тем более, что доменные границы обуславливают появление дополнительных механизмов рассеяния и переизлучения звука [3]. Аналогично, эта же неоднородность является причиной разброса значений сверхтонкого поля на ядрах, что обуславливает существенное различие спектров частот ЯМР в многодоменных и однодоменных образцах. Разброс направлений сверхтонких полей приводит также и к разбросу коэффициента усиления сигналов ЯМР [4]. Здесь следует отметить, что вследствие различия механизмов усиления сигналов ЯМР для ядер внутри доменов и доменных границ коэффициенты усиления в доменных границах на несколько порядков превышают коэффициент усиления в доменах [5]. Таким образом, сигналы ЯМР от ядер в доменах и в доменных границах могут различаться не только по частоте, но и по интенсивности. Из вышеизложенного следует, что современные высокочувствительные методы ЯМР и ультразвуковой спектроскопии могут дать подробную информацию, как о самой доменной структуре, так и о структуре доменных границ. На сегодняшний день имеется большое число публикаций, подтверждающие этот вывод (см. например работы [4, 6-13]).
-6-
При изменении внешних условий, особенно при наложении магнитных полей, из-за смещения доменных границ и поворота намагниченностей в доменах происходит разрушение доменной структуры, и образец становится монодоменным. Очевидно, что происходящие при этом изменения магнитной структуры должны проявляться как на спектре, ширине и интенсивности сигналов ЯМР, так и на упругих свойствах образца. Таким образом, указанные выше методы - ЯМР и ультразвуковая спектроскопия - могут быть использованы также и при изучении динамики процесса монодоменизации магнетиков, знание которой представляется очень важным в силу широкого применения магнитоупорядоченных веществ в радио- и микроэлектроники. С этой точки зрения тема диссертационной работы - экспериментальное исследование проявлений доменной структуры и динамики монодоменизации в слабых магнитных полях в сигналах ЯМР, размерного магнитоупругого резонанса (РМУР), ядерного магнитоакустического резонанса (ЯМАР) -является весьма актуальной и представляет значительный научный интерес.
Среди широкого класса магнитоупорядоченных веществ наиболее подходящими с точки зрения изучения закономерностей явлений, связанных с влиянием доменной структуры на поведение взаимодействующих между собой магнитных и упругой подсистем являются легкоплоскостные антиферромагнетики (АФЛП), в которых удачно сочетаются сильные магнитоупругая и электронно-ядерная связи. К таким кристаллам прежде всего
л I
следует отнести АФЛП на ионах железа Ье : борат железа (БеВОз) и гематит (Ре203), а также АФЛП на ионах марганца Мп2+: фторманганат калия (КМпР3) и карбонат марганца (МпС03). Для экспериментов был выбран кристалл бората железа, РеВОз, который представляет собой антиферромагнетик со слабым ферромагнетизмом и анизотропией типа “легкая” плоскость. Выбор этого вещества был продиктован удачным сочетанием уникальных спектроскопических свойств сигнала ЯМР ядер Ре3+ (узкая линия, большой коэффициент усиления) и сильной магнитоупругой связью, а также наличием собственного пьезомагнетизма, благодаря которому становится возможным
прямое РЧ возбуждение ультразвуковых колебаний, что весьма удобно при исследовании доменной структуры методами размерного резонанса [13]. Для бората железа характерна еще одна особенность, а именно, малая величина эффективного поля магнитной анизотропии в “легкой” плоскости, которая определяет малую плотность энергии доменных границ и, как следствие, большую толщину переходных слоев, а также более крупные, чем в ферромагнетиках размеры доменов [2, 14].
В соответствии с целью диссертации весь комплекс выполненных исследований был направлен на решение следующих задач:
1. Экспериментальное наблюдение эволюции сигналов ЯМР в области слабых постоянных магнитных полей в многодоменных образцах РеВОз для различных геометрий взаимного расположения постоянного и переменного магнитных полей относительно “легкой” базисной плоскости кристалла. Обнаружение проявления доменной структуры бората железа и динамики монодоменизации в поведении сигналов ЯМР ядер Ре .
2. Экспериментальное возбуждение РМУР в тонких пластинах РеВ03 и» изучение влияния доменной структуры и динамики монодоменизации на интенсивность и частотный сдвиг сигналов РМУР для различных гармоник стоячих волн, возбуждаемых в образце.
3. Разработка и создание импульсного спектрометра для изучения резонансных магнитоакустических эффектов. Разработка экспериментальных методик измерения скорости ультразвукового импульса, прошедшего через исследуемый образец. Создание универсального акустического устройства, позволяющего исследовать резонансные магнитоакустические эффекты в широком диапазоне частот, в образцах различных размеров.
4. Экспериментальное изучение влияния ядерного магнетизма в условиях ЯМАР в слабых магнитных полях на МУ взаимодействие, на магнитоакустические эффекты, обусловленные этим взаимодействием и их теоретическая интерпретация.
-8-
Диссертация состоит из введения, трех оригинальных глав, заключения, списка публикаций автора и списка цитированной литературы.
Первая глава диссертации посвящена изложению результатов
экспериментального исследования проявления доменной структуры образцов бората железа в сигналах ЯМР в слабых магнитных полях. Описаны упругие и магнитные свойства, а также дано подробное описание кристаллической и магнитной структуры исследованного соединения РеВОз. В этой главе
приводятся данные экспериментов, полученные в результате наблюдения
эволюции сигналов ЯМР при монодоменизации образцов РеВ03.
Рассматриваются три экспериментальные ситуации, которые соответствуют трем различным геометриям взаимного расположения постоянного Н и переменного Н) магнитных полей относительно “легкой” базисной плоскости кристалла.
В первом случае, когда поля Н и Н| были приложенны в “легкой” плоскости параллельно друг другу, удалось обнаружить нехарактерное для монодоменных образцов РеВОз расщепление сигнала ЯМР на два, хорошо разрешенных, пика поглощения, близких к частоте ЯМР. С ростом поля наблюдалось увеличение расщепления, с одновременным спадом амплитуды обоих пиков, которые исчезали в полях #>150Э. Особенностью наблюдаемого поведения сигналов ЯМР явилось то, что эффект расщепления имел пороговый по мощности РЧ поля характер.
Во втором случае, постоянное поле было направлено вдоль “трудной” оси кристалла, тогда как переменное поле было приложено в “легкой” плоскости. В такой геометрии сигнал ЯМР наблюдался в виде узкой нерасщепленной одиночной линии на частоте ЯМР во всем интервале исследуемых полей (#< 1000Э), не проявляя при этом какой-либо зависимости от мощности переменного поля.
Наконец, в последнем случае, была исследована геометрия перпендикулярных полей Н И Н|, приложенных также в “легкой ” плоскости. Аналогично первому случаю, в этой геометрии имело место расщепление
- Київ+380960830922