Структурное упорядочение в смешанных алюминатах и гранатах по данным ЯМР Григорьева, Наталья Анатольевна

Введение к работе

Актуальность темы обусловлена постоянно расширяющимся применением смешанных диэлектрических кристаллов на основе пттрпе-вого алюмината п алюмо-пттриевого граната в современной лазерной технике, акустоэлектронике и акустооптпке. Варьируя состав смешанных кристаллов, можно получать материалы с оаранее заданными техническими характеристиками. В случае материалов на основе пттрн-евого алюмината и алюмо - пттрпевого граната необходимые параметры достигаются введением понов редкоземельных элементов плп лютеция, замещающих ноны иттрия. При этом образуются твердые растворы вида Y[__zRe_xAl03 и Y^_rRe_xAlzOi2, существующпе во всем возможном диапазоне изменения х. Однако, необходимо учитывать, что на свойства твердых кристаллических-растворов сильное влияние оказывает также и стрз -турное упорядочение, возникающее при замещении атомами компонент узлов кристаллической решеткп. Роль этого фактора при неполном упорядочении зачастую недооценивается. Кроме того, наиболее распространенные методы обнаружения и контроля порядка замещения твердых растворов, такие как рентгеноетрук-турнып анализ плп рассеянпе нейтронов, не всегда оказываются эффективными при частичном характере упорядочения. Трудности в анализе структурных особенностей смешанных диэлектрических кристаллов снижают эффективность пх практического использования. Кроме того, влияние порядка замещения на различные физические характеристики, а также анализ характера ближнего и дальнего порядка п смешанных кристаллах во взаимосвязи с составом и условиями роста представляютсобой важную фундаментальную проблему в физике твердоготсла. Таким образом, актуальной представляется задача применения для диагностики частпчпого упорядочения в диэлектрических твердых растворах дополнительных методов п изучения с их помощью структурных особенностей смеи'чнных кристаллов на основе пттрпевого алюмината и алюмо - пттрпевого граната. Чувствительным методом анализа совершенства кристаллической решеткп. наличия дефектов, химической связи и впутрнкрпсталлпческих полей является ядерный магнитный резонанс (ЯМР). Разпптне в последнее время экспериментальной базы ЯМР позволяет существенно расширить традиционные области его применении в физике твердого тела. Учптьг-

— 4—

вая сильную зависимость спектра ЯМР н формы реоонансных линий от характера ближайшего окружения исследуемых ядер и присутствия в кристаллической решетке парамагнитных понов, целесообразно использовать ЯМР для исследования смешанных твердых растворов на основе .иттрпевого алюмината и алюмо - пттрпевого граната как в плане детектирования элементов структурного упорядочения в них, так п для определения величины и характера распределения внутри-крпсталличеекпх полей.

Целью диссертационной работы является поучение структурного упорядочения и анализ внутрпкрпсталлпчеекпх полей методом ЯМР в смешанных иттрпй - эрбпевых алюминатах, алюмо - иттрий - эрбие-вых и алюмо - иттрпй - пттербпевых гранатах. Для решения поставленной задачи необходимо:

разработать методику анализа характера структурного упорядочения смешанных диэлектрических кристаллов;

получить и расшифровать спектры ЯМР ядер АР⁷ в непрерывных рядах смешанных кристаллов иттрпй - эрбпевых алюминатов, алюмо - иттрпй - эрбпевых п алюмо - иттрпй - пттербпевых гранатов;

определить значен я константы квадрупольного взаимодействия и параметра анизотропии ц градиентов внутршерпсталлических электрических полей на ядрах алюминия для алюминатов п грана-тор при всех значениях концентраций;

измерить вслігшпу парамагнитного сдвига для ядер АР⁷', обусловленного ионами эрбия и иттербия, и найти средний магнитный момент понов эрбпа и иттербия в решетке алюминатов и гранатов;

разработать модели структурного упорядочения, возникающего при замещении ионов иттрия в ближайшем окружении ядер АР⁷, определить спектральные параметры п форму линий ЯМР для различных моделей и на основе сравнения с экспериментом найти аде-кцатную модель, отряжающую экспериментальные результаты.

Научная нешипна результатов работы. В диссертационной ра-і'іпі' токазянп возможность и< пользования метода ЯМ'¹ для нс< ледо-

— о -

ванпя явлення структурного упорядочения в диэлектрических твердых растворах замещения. Впервые получены значения констант квадру-пояьной связи, параметра анизотропии и величины парамагнитного сдвига в смешанных алюминатах п гранатах. Обнаружена кластеризация твердых растворов пттрип - эрбпевых алюминатов в области концентраций х яз 0.07-т-0.1. На основании зксперпмент;ільішх результатов произведен количественный анализ фазового состава иттрий -эрбпевых алюминатов в области концентраций, соответствующих кластеризации. Показано, что смешанные алюмо - пттрпй - эрбиевые гранаты являются неупорядоченными твердыми растворами для всех исследованных концентраций. В то же время в смешанных алюмо - пттрип - иттербпевых гранатах анализ спектра ЯМР АХ^П позволил выявить наличие дальнего порядка в области концентрации х « 0.75 -=-1. Рассчитаны величины средних магнитных моментов ионов Er^s+ и Yb³⁺ в решетках псследованньту алюминатов и гранатов.

Практическая ценность диссертационной работы определяется широким пспользованпем смешанных кристаллов на основе пттрп-евых-алюминатов и алюмо - иттриевых гранатов в современной технике п приборостроении и заключается в том, что впервые проведены измерения важных в практическом плане параметров квадруполыгого взаимодействия и выявлены физпческне причины аномального изменения коэффициента поглощения ультразвука и времени фононной релаксации для определенной области концентрации твердых пастворов пттрпй-эрбпевых алюминатов п алюмо-пттрпй-иттербпевых гранатов. Разработанная методика анализа упорядочения замещения в твердых диэлектрических растворах может быть распространена на другие промышленные материалы.

Основные положения диссертации, выносимые на оаїциту:

методика анализа характера структурного упорядочения п смешанных пттрпевых алюминатах и гранатах, основанная на наблюдении относительной интенсивности и формы линии компонент спектра ЯМР квадрупольпых ядер;

значения константы кпадруполыюго взаимодействия и параметра анизотропии градиентов ішутрикрнстал.шчсскіїх злгкгрнчссмтч полон, найденные из наблюдения орпемтаїшоїших з.mm нмпі-і си , mm а

- б

компонент спектпа ЯМР;

результаты экспериментального обнаружения и исследования частичного упорядочения в размещении атомов компонент по узлам кристаллической решетки в твердых растворах замещения иттрий - эрбиевых алюминатов п алюмо - иттрии - иттербнсвых гранатов;

значения среднего магнитного момента ионов эрбпя в решетке алюминатов и ионов эрбпя и иттербия в решетке гранатов.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на ХХУПМеждународноп конференции AMPERE, а также на семинарах, кафедры физики твердого тела НИН физики СПбГУ и опубликованы в трех статьях п тезпеах докладов. Сппсок публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит по введения, пяти глав, заключения п списка цитированной литературы из 81 наименований, содержит 117 страниц машинописного текста, включая 42 рисунка и 6 таблиц.