Введение к работе
Актуальность темы.
Редкоземельные мангалиты ІШпОз, (R - редкоземельные элементы или иттрий, а также кальций), со структурой перовскита, являются объектами интенсивного изучения в течение последнего десятилетия. Соединения данного класса демонстрируют ряд необычных магнитных, диэлектрических и транспортных свойств и характеризуются сложными магнитными фазовыми диаграммами. В ряде составов при изменении температуры обнаруживаются фазовые переходы, как магнитные, так и сегнетоэлектрические.
Изначально привлекли к себе интерес манганиты легких редких земель R=La, Рг, Nd с частичным замещением редкоземельного иона R3+ (РЗИ) неизовалеитной примесью, например Са2+ или Sr2* [1]. Это легирование резко увеличивало проводимость, изменяло характер её температурной зависимости с полупроводникового на металлический и приводило к переходу антиферромагнитной структуры (в чистых составах) к ферромагнитной (при концентрациях -10% и более) за счет механизма двойного обмена [2-3] между разновалентными ионами марганца Мп3+-02"-Мп4+. В этих системах в 90-х годах было открыто колоссальное отрицательное магнетосопротивление (КМС) [4], проявляющееся вблизи температуры магнитного упорядочения, которое придало новый импульс исследованию данных материалов. Многие из них обладают температурами магнитного упорядочения близкими к комнатной, что открывает возможность для технических применений (сенсоры магнитного поля, головки чтения магнитной записи).
В последнее время большое внимание привлекли манганиты с РЗИ из середины ряда - Gd, Tb, Dy, оказавшиеся в некоторой области температур мультиферроиками, т.е. веществами с сосуществующим сегнетоэлектрическим и магнитным упорядочением [5-6]. Особенностью этих соединений, в отличие от манганитов с более лёгкими редкими землями, является возникновение сегнетоэлектрических и магнитоэлектрических свойств в состояниях с модулированной, нецентросимметричной (циклоидальной) спиновой структурой, определяемой конкуренцией обменных взаимодействий, обусловленных eg- и І2В-злектронами ионов Мп3\ Наличие сильной магнитоэлектрической связи в этих системах может привести к появлению новых типов спиновых колебаний, в частности, возбуждаемых не только высокочастотным магнитным полем h, но и электрическим полем е.
2 \ у
Раскрытие физических механизмов, отвечающих за свойства этих соединений,
определение взаимосвязи кристаллической структуры и магнитного и
сегнетоэлектрического упорядочений, изучение влияния замещений на магнитную структуру необходимы как с фундаментальной, так и прикладной точек зрения.
Важное значение в изучении физических свойств и явлений в манганитах имеют разнообразные спектроскопические методы, позволяющие получать информацию о характерных электронных, магнитных, решеточных и др. возбуждениях. При этом многие возбуждения (антиферромагнитный резонанс в Мп -подсистеме, электронные магнитодшюльные переходы в редкоземельной подсистеме) попадают в субмиллиметровый и дальний ИК-диапазон, и их изучение может дать новые сведения о характере магнитной структуры кристалла и определяющих ее обменных (магнитных) взаимодействиях.
Цель работы.
Целью диссертационной работы является изучение с помощью субмиллиметровой квазиоптической ЛОВ-спектроскопии (ЛОВ лампа обратной волны) магнитных и диэлектрических свойств и спиновых возбуждений в разнообразных магнитных структурах, определяемых конкуренцией обменных взаимодействий, в замещенных ІЛі-,АхМпОз (А=Са, St) и незамещенных редкоземельных манганитов RMnCb (R=Pr, Nd, Sin, Eu, Gd, Tb).
Научная новизна.
В работе получены следующие новые научные результаты:
. В манганитах GdMnCb и ТЬМпОз, а также Еиі-хУхМпОз с пространственно модулированной несоразмерной магнитной структурой (синусоидальная, циклоидальная), определяемой конкуренцией обменных взаимодействий между ближайшими и следующими за ближайшими ионами Мп3+, обнаружены новые спиновые колебания (электромагноны), возбуждаемые переменным электрическим полем и дающие значительный вклад в диэлектрическую проницаемость.
Обнаружены моды антиферромагнитного резонанса в манганитах систем Lai.xSrxMn03 (х=0 - 0.1) и Lai.xCaxMn03 (х=0 - 0.15 ) и изучена их эволюция с ростом легирования при переходе кристалла от антиферромапштного к ферромагнитному состоянию. Это позволило сделать важный вывод о том, что этот переход осуществляется через скошенную магнитную структуру, определяемую конкуренцией антиферромагнитного сверхобмена (Mn3t-02—Мп3+) и ферромагнитного двойного обмена (Мп3+-02-Мп4+).
3. В слаболегированных манганитах Lai.xSrxMn03 (х~1%) обнаружены
дополнительные (примесные) моды, свидетельствующие о наличии магнито-
неоднородных состояний.
4. В манганитах с магнитными редкоземельными ионами РгМпОз, NdMnCb и
SmMnOj кроме мод АФМР, обнаружены новые магнитные возбуждения в подсистеме
редкоземельных ионов Pr3*, Nd3+ и Sm3+. Это позволило определить основное состояние
этих ионов в кристаллическом и обменном (R-Mn) полях и последовательно описать их
вклад в статические и динамические свойства.
5. В СаМпОз с антиферромагнитной структурой G-типа, определяемой
сверхобменом только через t2g электроны ионов Мп4+, впервые изучены
антиферромагнитный резонанс и диэлектрическая проницаемость, проявляющая
необычное поведение при антиферромагнитном упорядочении.
Положения, выносимые на защиту.
1. Существование новых спиновых мод, возбуждаемых переменным
электрическим полем (электромагноны) в мультиферроиках GdMnCb, ТЬМпОз и Eui.
хУхМпОз с пространственно модулированной несоразмерной магнитной структурой.
Обнаружение значительного уменьшения диэлектрической проницаемости при
подавлении модулированной структуры магнитным полем.
2. Концентрационная зависимость частот антиферромагнитного резонанса
свидетельствует о наличии в манганитах Lai.x БгхМпОз (х=0-0,1) и La^ СахМпОз (х=0-
0,12) скошенной магнитной структуры, а не электронного разделения фаз на чисто
ферромагнитные и антиферромагнитные области,
Обнаружение примесных мод в слаболегированных манганитах Lai.xSr„Mn03 (х~1%) указывает на неоднородность скоса магнитных подрешеток.
В манганитах РгМпОз, ШМпОз и БгаМпОз обнаружены магнитодипольные переходы в основном мультиплете редкоземельных ионов и определены расщепления их нижних уровней в кристаллическом и обменном (R-Mn) ПОЛЯХ.
5. Обнаружение антиферромагнитного резонанса в слабом ферромагнетике
СаМпОз и сильного влияния магнитного упорядочения на диэлектрическую
проницаемость.
Практическая значимость.
Результаты диссертационной работы могут быть положены в основу разработки новых магнитных материалов с высокими значениями магнетосопротивления и магнитоэлектрического (магнитодиэлектрического) эффекта. Практический интерес представляет обнаруженное в манганитах уменьшение диэлектрической проницаемости
(-10%) при подавлении электромагнона в магнитном поле, позволяющее управлять показателем преломления на частотах вплоть до терагерцового диапазона.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях: Вторая объединенная конференция по магаитоэлектронике. (2000 г., Екатеринбург), 8 European magnetic materials and applications conference, (Ukraine, 2000), International Conference on Magnetism (2000, 2003 ), 32,33,34 совещания по физике низких температур (2000,2004, 2006), Euro-Asian Symposium «Trends in Magnetism», EASTMAG, (2001,2004), NATO Advanced Research Workshop Smart Materials for Ranging Systems, ( Russia, 2004), International Conference "Functional Materials» (2001,2003,2005), International Conference "Nanoscale properties of condensed matter probed by resonance phenomena", ( 2004, Russia), The European Conference "Physics of Magnetism'05" (2005, Poland), XVII, XVIII, XIX и XX Международные школы-семинары «Новые магнитные материалы микроэлектроники», (Москва, 2000,2002,2004,2006); International Symposium Spin Waves (2007,Россия), Moscow International Symposium on Magnetism, (2002,2005,2008, Москва).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 31 печатная работа, в том числе тезисы 18 докладов на научных конференциях.
Структура и объём диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Работа изложена на 165 страницах машинописного текста, включая 57 рисунков, 1 таблицу и список литературы из 110 наименований.