Введение к работе
' Уровень развития' современной техники во многом определяется прогрессом научных исследований в области физики твёрдого тела и, в частности, в области физики магнитных явлений.
Едагодаря. уникальному сочетанию магнитных и электрических свойств большое практическое применение в последние 25 лет подучили гексагональные феррит Так» создание широкого ряда гексагональных феррйтоа на основе ферритов бария и стронция с полями анизотропии 10 4 HJ- SO кЭ позволило значительно расширить диапазон практического применения СВ^-приборов в коротковолновую область шшимзтрового диапазона Длин волн.
Отмеченный "выше успех в практическом применении гексагональных ферритов достигнут благодаря прогрессу.в исследованиях фундаментальных, взаимодействий, формирующие магнитную структуру н свойства данных материалов. В равной мере это относится.как к теоретическим, так и к экспериментальным работам С другой стог роны, передовые идей в теории ферритов и лучше экспериментальные результаты их исследований методами радиоспектроскопии, vm-онной спектроскопии,: ядерного гаша-резонанса и нейтронографии в сочетании с комплексом'статических Измерений параметров сегодня служат основой базой знаний при'разработках новых перспективных магнитных материалов на основе 3d - if и 3d - ВГ сплавов.
Микроскопическими источниками энергии магнитной кристалло
графической анизотропии (МКА) фэрритов и многих других магнито-
упорядоченных соединений являются магнитное- днполь-дипольнов
взаимодействие, спия-орбитапноа' взаимодействие, анизотропное
Обменное взаимодействие .и некоторьй другие.- Дм'юс. описания раз
работаны теория спинового гамильтониана и теория гамильтониана
в координатно-импульсном представлении. .Оба подхода к проблема
анергии Ш в равной мере йрименяйгея, пак к оксидным, так и к
металлическим маглйтоупоряДоченкым соединениям. с учетом специфи
ки' каждого. ' - -
Следует отметить, что до начала выполнения данной работы механизмы формирования анизотропии магнитных свойств ряда сложных. гексагональных ферритов со'структурами тйпаі Y, 2, У и. некоторых других, молекулы кйторйх, _ соответствии с принципом политипии, можно представите а айда определенных последовательностей исходных S, R и Г блоков, были изучены недостаточно.
В диссертационной работе приведены результаты комплексных исследований статических, высокочастотных, упругих и тепловых своРотв кобальтовой шпинели, ромбоэдрических ферритов со структурой типа Y, феррита бария - базовых структур и гексагонального феррита со структурой типа І - СовВа$Ре„ Q4i .- Параллельно проводилась^ разработка основ модельного компьютерного эксперимента с целью получения на' моделях возможного распределения равновесных состоянии намагниченности в реальных магкитоупоря-доченных кристаллах. Компьютерных эксперимент включал расчет и построение орйентационных фазовых диаграмм анизотропии, численное решение уравнения состояния, получение,трехмерных иэобрайэ-ний характеристических поверхностей анизотропии и их сечений.
Одной из задач, решаемых в данной работе, была задача исследования микроскопических механизмов, ответственных за формирование аниэогропии шгнитных свойств базовых ферритов', включая кобальтовую шпинель и гексагональный феррит бария. Полученные результат^ позволяли бы прогнозировать комплекс магнитных характеристик более сложных,:в том числе и многокомпонентных, новых ферритов для различных практических применений.
. В исследованных ферритах под влиянием внешних воздействий реализуются различные виды магнитных структур, которые- в терминах теории фазовых, переходов Ландау можно рассматривать как симгзтричные и диссишетричные фазы. Пэреходы между симметричными фазами, между симметричными и диссиммэтричшми фазами, у&ж-ду диссишетричными фазами и связанные с развитием магнитной системы кристаллов, можно отнести к спин-переориентіщионньм Фазовым переходам (СПФП). дія СВИІ характерны все особенности изменения шгнитных свойств кристаллов. области критических значений параметров внешних воздействий: магнитного поля, давленім , температуры.
Из сказанного выше следует важность и актуальность иэуча-вия равновесных состояний спонтанной намагниченности в реальных кристаллах и роли анэргии од в их динамике. Это изучение представляет большой интерес как для физики магнитных явлений, так и для других разделов физики твёрдого тела, и.частиосч, физики сегнетоэлектриков, ферросегнетомагнетиков, физики упругости и прочности.
Еэяь работы:'
а Изучить физические свойства ферримагнетиков различ-
-5.-ных структурных классов о учётом принципа политипии для получения информации о роли 3d* ионов в орбитально выроеденном и орбитально не вырожденном состояниях в формировании конкретного вида магнитной структуры кристаллов.
Ь, 'Ш основании проведенного изучения магнитных свойств ферритов установить роль микроскопических механизмов в формировании магнитной структуры кристаллов и, оценить возможные значения одноконных вкладов в анергию магнитной кристаллографической анизотропии ионов п орбитально на вырожденном основном состоянии.
с. Разработать основы,и оценить возможности компьютерного моделирования'анизотропных свойств магкитоупорядоченных кристаллов и в исследованиях динамики фазовых превращений в магнитной система кристаллов. .
d. Рассмотреть воз.мокюсти компьютерного моделирования при создании новых магнитных материалов с предварительно заданной магнитной структурой.
Для достижения приведенных выга целей работы были поставлены следующие задачи:
-
Провести комплексные исследования ферритовых материалов в группе, подчиняющейся принципу политипии, статическими и резонансными методами,'включая измерения магнитной восприимчивости и намагниченности в .'емпературной области от 77К до точки Кюри, магнитострикцин и коэффициента теплового расширения в интервале температур 77 < Г < 420К\ исследовшшэ температуркой -зависимости резонансных Нолей и полей анизотропии на частотах от гг, 05 до 7в ГГц и 77 < Т < В40,К; исследования локальных полей и намагниченностай падрегйтак, содархап?1х ионы *' Fe" методом Щ(Р на частотах от БО до SO МГц' и в температурном интервале от 4. S до SOOK в t/лгнитных полях до 10 кЭ.
-
Для ферритов, у которых возможны епйн-цереориентавд-оиныэ фазовые переходы, провести .чсслэдованйя перечисленных аы-ве параметров вблизи критических температур в магнитном поле и без него.
-
Провести анализ теоретических и полученных в работе экспериментальных ревультатоа йеследогаяий ферримагнитных систем, где наблюдались сшга-переоригнгационные фазовые ~ереходы; на аго основе разработать оряентационные фазовые диаграммы зли--вотропии магнитоупо.рйдоченных кристаллов рассматриваемых, в рабо-
.,-6-
те структурных групп.
4. Исследовать возможности.модельного компьютерного экс
перимента при анализе полученных теоретических и эксперимен
тальных результатов и оценить его перспективы при разработке
и создании новых магнитных материалов. '
5. Обсудить полученные результате на осаде совремевкой
теории магнитной кристаллографической анизотропии.
Научная новиэк? диссертации . '
1. Впервые получены спектры ядерного магнктного резонанса
высокого разрешения- сємшюдреіаеточного ромбоэдрического ферри
та Zr^Ba^e,^ 0^, и десятюгадрешёточного гексагонального феррита
Со^Вз^Ре^О*,. Обнаружены, особенности спектров Ш? в. области
низкотемпературной спиновой переориентации.
Совместные исследования . феррита CoBasFeih Ov{ методами ферромагнитного и ядерного ревонансов позволили установить температурные области устойчивости симметричных и диссиметричных ф-аз. Вшо.лена их вдентификацкя. Яроведена расшифровка спектров и впервые получены температурные зависимости намагниченности подрешеток данного феррита
2. Впервые показано, что метод ферромагнитного резонанса
исследования гексагональных ферритов позволяет, в сочетании с
представлением энергии ИКА в ' виде, разложения шшзотропйой
час:. термодинамического потенциала Гиббса в ряд то степеням
ортогональных сферических функцій, разделять еклздн в знэргш
анизотропии отдельных взаимодействии и получать их температур-
нуи зависимость. Показана ограниченная возможность применения
йакона Калле на-Калле на для описания температурной зависи.\исти
; коэффициентов ММ сложных гексагональных ферритов.'
-
Показана возможность применения пршщйяа политипий для описания равновесных состояний магнитной системы гексагонального феррита СогВалРейкОА(, молекула которого южзт бтъ представлена в символьном виде:' Z»№-K илиг BaFe,fit+ СолEa,.Fe,a 01Л"
-
Исследования магкитаегрикцш и теплового расширения в различных кристаллографических направлениях позволили установить типы низкотемпературного и высокотемпературного спин-йере-рриектационнога фазового перехода. Впервые для феррита Сой2 (C6&Bs3Fei Q,( ; обнаружен СВГП при T-3Z5Kt аналогичный СЮП
у кобальтовой йпинели при той йё температуре.
'5. Впервые разработаны ориентационные фазовые диаграммы анизотропии ромбоздричэского . кристалла. Показано, что ферриты со структурой типа У, относящиеся к ромбоэдрической структурному классу R3m, не могут иметь анизотропию типа " плоскость, легкого намагничивания" .при любых значениях констант анизотропии.
8. Разработаны физические принципы модєліного компьютерного эксперимента для исследования равновесных состояний спонтанной намагниченности магните;тгарядочеиных кристаллов.
Ш защиту выносятся результаты комплексных исследований статических и высокочастотных свойств гексагонального феррита Cos8a3FeuO^, , позволившие установить и изучить!
критические области существования симметричных и диссиметри-чных фаз, возникаших при фазовых переходах в цепочке 6/xf н( nf— — г/яґ-~ 2/пґ— 2/яґ-~ 6/irf nf hf —б/йш, и которые происходят в данном феррите н температурном интервале 77<Т<93К;
динамику протекания процесса переориентации вектора спонтанной намагниченности по спектрам ферромагнитного и ядерного магнитного рєзоііапсов и тешературной зависимости резонансных полей и намагниченности подрешеток;
типы фазовых переходов по тешературной зависимости относительного тєплоеого удлинения и магнитострикции и влияние ка них внешнего магнитного поля; *
ориеятацшнныэ фазоЕыэ диаграммы анизотропии, характеристические поверхности анизотропии и 'их эволюция- под влиянием внешних воздействий - магнитного поля я других.
Научим и практическая ценность работы определяется сово
купностью экспериментальных данных и местом, которое занимает
анизотропны» магнитоулорядочанные среды в современной науке.
Кроме того, проблема природа энергии анизотропии в кристаллах
относится к одной из наиболее слегших it недостаточно разрабо
танных проблем физика твердого т^ла. источники ЇЖА во многих
случаях является одноконными и связаны со спин-орбитальным
взаимодействием. Энергия .спий - орбитального взаимодействия
весьма чувствительна к симметрии кристаллического поля . лиган-
дов, к влиянию внешних взшяюдейсгвий. Её величину маяно оце
нить липа штодом ЗПР. Однако такие работы весьма малочисленны
и требуют синтеза изоморфных Исследуемых немагнитных кристал
лов. .-,.-
- 8 -. Особое внимание следует обратить на разработанные основы модельного компызтерного эксперимента. Он содержит большие потрчциальные возможности для разработки перспективных магнитных материалов.
Экспериментальные результаты работы момно использовать при разработке новых магнитных материалов.
Апробация работы. -Основные результаты работы были пред
ставлены и докладывались на Европейском конгрессе по магнетиа-
му и применениям магнитных материалов ЕША-91, сентябрь, Дрез
ден 1SS1., 2-м Международном симпозиуме по физика магнитных
материалов, июль 1992, Пекин, Китай, Первой межгосударственной
конференции "Материаловедение высокотемпературных сверхпровод
ников", Б-В апреля 1993 г., Харьков, Конференции " йізическиа
явленій в твердых телах", 2-4 февраля 1993 г., ХГУ, Харьков,
VI научный семинар "Физика магнитных явлений", 84-28 мая 1993г.
Донецк-Красный Лиман. .
Публикации. По результатам исследований опубликовано 8 работ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, В котором сформулирована постановка задачи, пяти глав, заключения, библиографии, насчитывающей 127 наименований, содержит 44 рисунка, 18 таблиц. Общий объём работы составляет 186 страниц. мани, .описного текста.
Работа выполнена на кафедре общей физики Харьковского государственного университета в рамках важнейшей тематики кафедра "Разработка физических основ создания новых магнитных материалов с заданным комплексом магнитных свойств", шифр '.:емы 1.3. Б. В номер государственной регистрации 0186,013.0977, иыюлкяешй Ео координационному плану АН Украины и программа даядународаого межвузовского сотрудничества между Харьковским университетом и университетом им. А. Ыицкевича в Познани (Польша).