Введение к работе
Актуальность проблемы
После открытия высокотемпературной сверхпроводимости в оксидных соединениях на основе меди, начиная с 1990-х годов, интерес исследователей привлекла еще одна группа оксидных материалов со структурой перовскита - допированные манганиты лантана, общую формулу которых можно представить как Ri-xMxMnCb, где R = La, Pr, Nd, а М = Са, Sr, Ва, РЬ. Этот класс соединений был известен еще с 1950-х годов [1]. Однако потребности развития информатики стимулировали в конце XX века активные исследования в области физики магнитных явлений а также технологий считывания и хранения информации основанных на изменении удельного сопротивления проводника в управляющем магнитном поле (магнитосопротивление). В 1988 году был открыт эффект гигантского магнитосопротивления в многослойных металлических плёнках [2]. Это вызвало большой интерес к исследованиям фундаментальных физических процессов, определяющих особенности магнитосопротивления в различных магнитных материалах.
О магнитосопротивлении в допированных манганитах сообщалось еще в первых публикациях, посвященных исследованию их физических свойств [1,3]. Однако в 90-х годах XX века обратили внимание еще и на величину эффекта, которая оказалась настолько большой (по сравнению с магнитосопротивлением структур на основе 3d ферромагнитных металлов), что это явление было названо «колоссальным» магнитосопротивлением (КМС) [4].
Допированные манганиты являются сильнокоррелированными материалами со сложным взаимодействием спиновых, зарядовых и орбитальных подсистем, а также богатой фазовой диаграммой. Несмотря на интенсивные теоретические исследования, до сих пор отсутствует общепринятая трактовка физического механизма КМС в этих материалах. Поэтому особое значение имеют экспериментальные исследования, по результатам которых можно судить о предпочтительности тех или иных теоретических моделей.
Важную роль в исследованиях свойств манганитов играют динамические электромагнитные методы, позволяющие получать информацию о магнитной и электронной подсистемах. Наибольшее развитие получили методы, использующие ферромагнитный резонанс и антирезонанс в области сверхвысоких (СВЧ) частот [5]. Исследованию свойств манганитов в области более низких частот уделялось значительно меньшее внимание. На момент начала наших исследований была опубликована только одна статья [6], в которой было обнаружено сильное влияние магнитного поля на коэффициент поглощения электромагнитных волн.
Актуальность работы обусловлена необходимостью выявления основных факторов, позволяющих целенаправленно изменять статические магнитные и магнитотранспортные свойства допированных манганитов, а также почти полным отсутствием, на момент начала работ, экспериментальных данных о высокочастотных свойствах и механизмах взаимодействия электромагнитного излучения с этими оксидными магнетиками.
Работа направлена на выявление закономерностей формирования статических и высокочастотных (области частот радио- и СВЧ диапазонов) магнитных и магнитотранспортных свойств сильнокоррелированных оксидных магнетиков допированных манганитов лантана Ьао,б7-х-уАхВуМпОз, где 0<Х< 0,20, 0 Работа выполнялась в лаборатории электрических явлений Института физики металлов Уральского отделения РАН по теме «Спин», № гос. per. 01.2.006 13391, этап «Исследование кинетических и высокочастотных эффектов в структурах на основе оксидов», теме «Наногетероструктуры», № гос. per. 01.200103141, программе президиума РАН «Квантовая макрофизика», этап «Исследование кинетических и высокочастотных эффектов в тонкопленочных и объемных образцах манганитов лантана с колоссальным магнитосопротивлением». Цель и задачи работы Цель работы заключается в выявлении закономерностей изменения статических и высокочастотных магнитных и магнитотранспортных свойств сильнокоррелированных манганитов лантана под действием магнитных полей, температуры, типа допирующего катиона, уровня допирования, режимов термообработки и выработке на этой основе рекомендаций для целенаправленного использования манганитов в качестве новых функциональных материалов. Достижение этой цели предполагает решение следующих задач: 1. Комплексное исследование влияния допирования Выяснение роли указанных факторов, а также структурных параметров системы плёнка/подложка, в формировании магнитных и магнитотранспортных свойств тонкопленочных образцов манганитов. Выяснение особенностей взаимодействия электромагнитного излучения с допированными манганитами лантана в радио- и сверхвысокочастотном диапазонах частот. Установление взаимосвязи статических и высокочастотных свойств допированных манганитов. 4. Изучение возможности использования допированных Новые научные результаты и положения, выносимые на защиту 1. Обоснована возможность оптимизации и управления свойствами манганитов за счет выбора условий термообработки. Показано, что для объемных поликристаллических манганитов лантана составов Ьа0,б70о,ззМпОз, где D = Са, Sr, Ва, РЬ, полученных методом соосаждения из растворов, максимальное магнитосопротивление достигается при термообработке в потоке кислорода при 1200 С в течение 12 часов. 2. Установлено, что для допированных манганитов не существует Установлено, что существенные изменения статических магнитных и магнитотранспортных свойств, включая достижение величины магнитосопротивления более 98% в интервале температур 90^-140 К, для тонкопленочных образцов Ьао,б7Сао,ззМпОз манганитов происходят при одновременном действии двух факторов: сильного (8%) рассогласования параметров решеток в системе плёнка/подложка и высокого (100 бар) давления кислорода. Показано, что эффекты прохождения радиочастотного (диапазон частот от 20 кГц до 200 МГц) электромагнитного излучения через объемные и тонкопленочные образцы допированных манганитов определяются, в основном, изменениями динамической магнитной проницаемости, а не магнитосопротивлением. Уменьшение динамической магнитной проницаемости за счет частотной дисперсии в манганитах, допированных свинцом, наблюдается на частотах в единицы мегагерц. В манганитах, допированных барием и иттрием, влияние дисперсии магнитной проницаемости не существенно в области частот до 200 МГц. Показано, что в СВЧ диапазоне частот ширина линии ФМР в исследованных сериях образцов определяется неоднородным уширением и пористостью. Обнаружены явления поворота плоскости поляризации и эллиптичности при прохождении электромагнитного излучения с частотой 20 МГц через объемные манганиты лантана в геометрии эффекта Коттона-Мутона. 6. В объемных и тонкопленочных образцах манганитов различного состава динамическая магнитная проницаемость превосходит единицу в интервале частот от 20 кГц до 1 МГц в парамагнитной области температур Тс <Т<1,5Тс. Отсюда следует, что ближний магнитный порядок существенным образом определяет свойства манганитов в этой области температур. 7. Исследование процессов динамического перемагничивания 8. Допированные манганиты могут быть использованы в качестве Научная и практическая ценность Результаты диссертации развивают представления о механизмах взаимодействия высокочастотного электромагнитного излучения с оксидными ферромагнетиками. Сохранение ближнего магнитного порядка при температурах, существенно (до 50%) превышающих температуру Кюри, которое характерно как для объемных, так и для тонкопленочных образцов допированных манганитов различного состава, является важным для понимания природы формирования магнитных состояний сильнокоррелированных материалов. Полученные автором данные о статических магнитотранспортных свойствах допированных манганитов могут представлять интерес при разработке датчиков магнитных полей. Режимы получения и свойства тонких плёнок допированных манганитов могут оказаться полезными при создании тонкопленочных устройств спинтроники, использующих допированные манганиты в качестве инжекторов носителей тока. Достоверность полученных результатов Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием хорошо аттестованных образцов, обоснованностью экспериментальных методов изучения статических магнитных и магнитотранспортных, а также высокочастотных свойств допированных манганитов лантана, хорошей воспроизводимостью результатов, полученных на образцах различных типов (объемные поликристаллические и тонкопленочные) и составов, соответствия основных физических характеристик объектов исследований с опубликованными литературными данными других авторов, когда таковые имелись. Личный вклад соискателя Диссертация является обобщением многолетних исследований автора, начиная с 1994 года, выполненных непосредственно им и заключающихся в выборе темы исследования, постановке целей и задач диссертационной работы, формировании комплекса методик исследований, обеспечивающих решение поставленных задач, исследований высокочастотных свойств, получении тонкопленочных образцов, проведении магнитных, структурных, магнитотранспортных измерений, анализе полученных результатов, обобщении результатов работы в публикациях и отчетах по проектам и создании рабочих макетов датчиков магнитных полей. Объемные поликристаллические образцы, использованные в исследованиях, были получены В.Г.Васильевым, Е.В.Владимировой, J.Pierre, при участии автора. Тонкопленочные образцы получены автором совместно с L.Ranno, A.Abalyoshev, P.Gierlowski. Макеты датчиков магнитного поля разработаны и изготовлены автором совместно с М.Б.Ригмантом и А.П.Ничипуруком. Термообработка тонкопленочных образцов в кислороде при давлении 100 бар проведены совместно с P.Strobel. Обсуждение результатов проводилось совместно с А.Б.Ринкевичем, Н.Г.Бебениным, В.В.Устиновым. Апробация работы Основные результаты диссертационной работы были представлены и обсуждены на различных всероссийских и международных конференциях, в том числе на V Международном совещании "Высокотемпературные сверхпроводники и новые неорганические материалы" (MSU-HTSC V, Москва, 1998 г.), 7 и 8 Европейских конференциях по магнитным материалам и их применениям (Сарагоса, Испания, 1998 г., Киев, Украина, 2000 г.), 17-й конференции отделения физики твердого тела европейского физического общества (Гренобль, Франция 1998 г.), 16, 17, 19 и 20 Международных школах-семинарах "Новые магнитные материалы микроэлектроники" (Москва, 1998, 2000, 2004 и 2006 г.), IV Российско-германском симпозиуме "Физика и химия новых материалов" (Екатеринбург, 1999 г.), I Международном симпозиуме "Тенденции в магнетизме" (Екатеринбург, 2001 г.), I Объединенном европейском магнитном симпозиуме (Гренобль, Франция, 2001 г.), Международных симпозиумах "Порядок, беспорядок и свойства оксидов" (Лазаревское, 2001 г., Сочи, 2002 г., Сочи, 2003 г.), Московских международных симпозиумах по магнетизму (2002 г., 2005 г., 2008 г.), Международном симпозиуме "Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах" (Сочи, 2002 г.), XXXI совещании по физике низких температур (Москва, 1998 г.), V Всероссийской научной конференции "Оксиды. Физико-химические свойства" (Екатеринбург, 2000 г.), II объединенной Конференции по магнитоэлектронике (Екатеринбург, 2000 г.), V Всероссийской конференции "Физикохимия нанодисперсных систем", (Екатеринбург, 2000 г.), Всероссийской конференции "Химия твердого тела и функциональные материалы" (Екатеринбург, 2000 г.), Конференции по перспективным магниторезистивным материалам (Екатеринбург, 2001 г.), Всероссийской конференции "Химия твердого тела и функциональные материалы" (Екатеринбург, 2004 г.). Публикации Результаты диссертации изложены в 37 публикациях в журналах, включённых ВАК в перечень ведущих рецензируемых журналов. Список основных публикаций приведен в конце автореферата. Структура диссертации Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 289 страниц, включая 159 иллюстраций, 7 таблиц и список литературы из 218 наименований.
двухвалентными и редкоземельными ионами и условий
термообработки, в особенности режимов термообработки в
кислороде, на статические магнитные и магнитотранспортные
эффекты (намагниченность, удельное сопротивление,
магнитосопротивление) в объемных поликристаллических
образцах манганитов лантана.
манганитов лантана в качестве магниточувствительных сред.
универсальной зависимости температуры Кюри Тс от
кристаллохимического фактора - среднего радиуса допирующего
катиона в А позиции структуры перовскита. Изменение
температуры Кюри составов Ьао,б(Део,о70о,ззМпОз, где Re=Pr, Nd,
Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, a D = Sr, Ba, коррелирует с
величиной эффективного магнитного момента допирующего
редкоземельного иона.
манганитов в скрещенных постоянном и радиочастотном
магнитных полях показало, что сильная нелинейность может
возникать под действием слабых (порядка 2-ИО Э)
радиочастотных магнитных полей.
материалов датчиков магнитных полей с высокой степенью
линейности в диапазоне полей до 50 кЭ и интервале температур
включающем комнатную. Наилучшим сочетанием параметров
характеризуется состав Lao,6oSro;4oMn03.Похожие диссертации на Статические и высокочастотные магнитные и магнитотранспортные свойства допированных манганитов лантана
