Исследование сверхтонких и обменных взаимодействий примесных ионов в кристаллах танталата калия методом электронного парамагнитного резонанса Азамат, Дмитрий Владимирович

Введение к работе

Актуальность темы. За последние годы получили интенсивное развитие исследования кристаллов виртуальных сегнетоэлектриков методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Виртуальные сегнетоэлектрики с кубической структурой перовскита типа КТа0₃ являются модельными объектами для исследования влияния примесей на структурно-неустойчивые решетки. При этом круг объектов, исследуемых методом ЭПР, расширяется в основном за счет низкосимметричных центров - нецентральных ян-теллеровских ионов, комплексов из пары дефектов. В основе описания механизма возникновения индуцированного полярного состояния в виртуальных сегнетоэлектриках типа SrTi0₃, КТаО_э лежат представления о взаимодействии дипольных моментов примесных ионов, которые занимают нецентральное положение в решетке кристалла. В связи с этим актуальными являются радиоспектроскопические исследования различных взаимодействий (обменных, сверхтонких, квадрупольных) примесных парамагнитных ионов в решетке таких кристаллов.

С открытием высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) на основе купратных перовскитов появился постоянно увеличивающийся интерес к исследованию в этих соединениях комплексов медь -кислородная вакансия. Представляло особый интерес найти модельные объекты, которые по своим структурным свойствам близки к купратным перовскитам и в которых могли бы реализоваться комплексы медь -кислородная вакансия. Основная цель таких исследований получить количественную информацию о величинах обменного, сверхтонкого, суперсверхтонкого взаимодействий, ^-факторов для медных комплексов в материалах, по своим свойствам близким к купратным перовскитам. В результате предполагалось получение информации об электронной структуре таких комплексов, пространственном распределении волновых функций. Для наших исследований были выбраны активированные медью кристаллы КТа0₃, в которых вакансии кислорода играют основную роль для зарядовой компенсации примесных ионов Си²⁺. Следует отметить, что

кристаллы танталата калия, активированные медью, используются в настоящее время в системах оптической обработки и передачи информации.

Цели работы: Задача заключалась во всестороннем исследовании методом ЭПР парамагнитных центров, образованных ионами переходных элементов в кристаллах танталата калия.

Научная новизна. Впервые в кристаллах со структурой перовскита наблюдались спектры ЭПР димерных кластеров меди. Показано, что обменное взаимодействие между ионами меди имеет в основном изотропный характер и обусловлено прямым ферромагнитным обменным взаимодействием двух ионов Сіґ⁺, расположенных в узлах тантала и разделенных вакансией кислорода. Впервые в спектрах ЭПР обменно-связанных пар ионов наблюдалась суперсверхтонкая структура (ССТС), которая позволяет судить об основных механизмах переноса заряда в парных центрах. Теоретический расчет параметров спинового гамильтониана позволил объяснить аномальное соотношение иитенсивностей компонент суперсверхтонкой структуры в снекірах ЭПР ионов меди, обусловленное ядерным квадрупольным взаимодействием с ионами тантала.

Нами впервые было проведено исследование кристаллов КТа0₃ , допированных изотопом ⁵⁷Fe. Тем самым однозначно установлена принадлежность ряда центров ионам железа. В спектре ЭПР некрамерсова иона железа впервые обнаружена суперсверхтонкая структура. Определены параметры спинового гамильтониана, описывающего структуру электронных уровней энергии исследованных примесных ионов в танталате калия во внешнем магнитном поле.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. В активированных медью кристаллах танталата калия впервые экспериментально обнаружены и изучены спектры ЭПР димерных

кластеров меди. Установлено, что обменное взаимодействие в парах ионов меди имеет ферромагнитный характер.

2. Показано, что в спектрах ЭПР ионов меди в кристаллах КТаО_э
квадруполыюе взаимодействие с ядрами тантала значительно превышает
суперсверхтонкое взаимодействие.

1. В кристаллах танталата калия, активированных изотопом ³⁷Fe ппервые наблюдались спектры ЭПР центров железа с разрешенной сверхтонкой структурой. Тем самым доказана принадлежность ряда парамагнитных центров в КТаОз ионам железа, встраивающимся в решетку в позициях с разной локальной симметрией.

2. В облученных кристаллах КТаОз обнаружен спектр ЭПР некрамерсовых ионов железа. Впервые в спектре некрамерсова иона в перовскитах исследована суперсверхтонкая структура.

Практическое значение работы. Полученные нами характеристики примесных центров могут представлять интерес как для исследователей оптических, акустических и электрических свойств кристаллов со структурой перовскита, так и для теоретических расчетов микроструктуры примесных центров. Результаты, полученные в настоящей работе, являются существенно новыми и могут быть использованы для выращивания кристаллов типа АВ0₃ с заданными свойствами для применения в оптической голографии.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на молодежной научной школе: "Магнитный резонанс в твердых телах" (Казань, 1998); на международных конференциях: 9th European Conference on Ferroelectricity (Prague, Czech Republic, 1999), France-Ukrainian Conference on Ferroelectricity (Kiev, Ukraine, 2000), 14th International Conference on Defects in Insulating Materials (ICDIM-14, Johannesburg-Midrand, South Africa, 2000).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 6 печатных работах, перечень которых приведен в конце автореферата.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. В диссертации имеется 97 страниц, в том числе 23 рисунка.