Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Кристаллическая структура, фазовые переходы и влияние на переходы ян-теллеровских ионов в манганитах 14
1.1. Симметрийное описание манганитов 14
1.2. Эффект Яна-Теллера и его влияние на симметрию кристаллов манганита 20
1.3. Фазовые переходы в манганитах 29
ГЛАВА 2. Основные структурные, электрические, магнитоэлектрические, магнитные и акустические характеристики манганита La0,825Sro,175Mn03 37
2.1. Описание экспериментальной установки и методика измерений ультразвуковых параметров 37
2.2. Измерение удельного электросопротивления 45
2.2. Характеристика образца 47
2.3. Результаты магнитных и электрических исследований 48
2.4. Результаты акустических исследований 57
ГЛАВА 3. Микроскопические неоднородности и генерация на них когерентных магнитоупругих колебаний 65
3.1. Неоднородные состояния в манганитах 65
3.2. Магнитоупругие взаимодействия в манганитах 69
3.3. Экспериментальные результаты по изучению микроскопических неоднородностей 73
ГЛАВА 4. Структурный фазовый переход от ромбоэдрической к орторомбическои симметрии в манганите Ьао,8258г0,175МпОз и влияние на него магнитного поля 80
4.1. Введение 80
4.2. Феноменологическая модель перехода R - О 84
4.3. Эксперимент и обсуждение результатов 86
Основные результаты и выводы 95
Авторский список публикаций 97
Литература 99
- Эффект Яна-Теллера и его влияние на симметрию кристаллов манганита
- Описание экспериментальной установки и методика измерений ультразвуковых параметров
- Экспериментальные результаты по изучению микроскопических неоднородностей
- Феноменологическая модель перехода R - О
Введение к работе
Актуальность проблемы. В последнее десятилетие 20 века внимание физиков было привлечено к перовскитоподобным оксидам металлов переходных групп - купратам и манганитам [1-4]. Интерес к таким материалам в первую очередь был связан с обнаружением высокотемпературной сверхпроводимости в купратах и колоссального магнетосопротивления (КМС) [1,3,5] в манганитах. Хотя до настоящего времени оба этих эффекта не получили полного объяснения, их исследования различными методами уже позволили обнаружить ряд и других необычных физических свойств. Наиболее важной проблемой для купратов и манганитов является понимание процессов транспорта свободных носителей (электронов и дырок) и влияние на них магнитных и структурных характеристик материалов и, в частности, ян-теллеровских ионов. Оба материала относятся к сильно коррелированным системам с преобладанием потенциальной энергии электронов над кинетической энергией.
Особенно большим разнообразием структурных и магнитных фазовых переходов, отделяющих парамагнитные, ферромагнитные и антиферромагнитные состояния, переплетением диэлектрических, полупроводниковых и металлических свойств отличаются манганиты [6]. Манганиты, или точнее, марганцевые перовскиты имеют общую формулу Яі.хАхМпОз, где R = La, Pr, Nd - редкоземельные металлы; A = Sr, Са -щелочноземельные элементы, относятся к классу магнитных полупроводников [1-Ю].
Взаимодействие спиновых, зарядовых и орбитальных степеней свободы с одной стороны обуславливает совокупность необычных физических свойств, а с другой стороны создает большие трудности в интерпретации экспериментальных результатов [10,11]. В первые годы интенсивного исследования манганитов основное внимание было обращено на поиск новых химических составов манганитов, обладающих максимальным значением изменения электросопротивления в приложенном магнитном поле вблизи магнитного фазового перехода (КМС) [1,12]. В результате многочисленных экспериментальных исследований было установлено, что наибольшие значения КМС наблюдаются в лантан-стронциевых манганитах Lai.xSrxMn03 с концентрацией ионов Sr в пределах 0Д0 < х < 0,20. Следует отметить, что в данном диапазоне концентраций ионов Sr было обнаружено несколько структурных переходов: последовательно с ростом х до 0,12 - происходит переход от орторомбической к ромбоэдрической фазе при парамагнитном состоянии вещества, а в интервале 0,17 < х < 0,18 переход от ромбоэдрической снова к орторомбической фазе. В этом же диапазоне концентраций ионов Sr возникают последовательно с ростом х переходы от антиферромагнитного (х = 0,10) к ферромагнитному состоянию н изменения характера проводимости (диэлектрик - полупроводник - металл) [12-15]. Для объяснения транспорта свободных носителей заряда, и, следовательно, природы КМС была предложена модель так называемого двойного обмена, основанная на межионном тунеллировании носителей через систему ионов Мп3+ - О2" - Мп4+ в условиях сильной связи между подвижными электронами и локализованными спинами [16]. Однако последующие эксперименты показали недостаточность модели двойного обмена для раскрытия механизма транспорта носителей эффекта КМС в манганитах [1,2].
В настоящее время принято считать, что электропроводность и КМС в манганитах тесно связаны с определенными типами магнитного, зарядового и орбитального упорядочения. Причем различные типы упорядочения могут сосуществовать в определенных химических составах и температурных интервалах. Все это может приводить к образованию неоднородных спиновых (ферромагнитные капли, ферромагнитные поляроны), зарядовых (решеточные поляроны, страйповые структуры) и решеточных (различные типы структурного упорядочения) состояний, которые характеризуются в целом как пространственные мелко- или крупномасштабные фазовые расслоения [11,17].
Изучение таких магнитных, зарядовых и решеточных неоднородностей, их влияния на природу и характер КМС несомненно, представляется
7 актуальным, поскольку только на этом пути можно достигнуть прогресса в понимании природы КМС.
С этой точки зрения можно было предполагать, что существенные результаты могут быть получены при исследовании образцов лантан-стронциевых манганитов в пограничной области концентраций ионов Sr (0,17 < х < 0,18), отделяющей диэлектрическую фазу с полупроводниковым типом проводимости от металлической фазы. К исследованию физических свойств манганитов были привлечены различные физические методы: ЭПР и ЯМР, рентгеновская, мессбауэровская и нейтронно-дифракционная спектроскопия, магнитострикционные, термометрические методы и ряд других [2,4].
Одним из перспективных методов является акустическая спектроскопия. Ультразвуковые исследования уже позволили расширить существующие представления как о физических свойствах самих манганитов, так и особенно о роли ян-теллеровских ионов в процессах структурных и магнитных фазовых переходов [18-26]. Более того, как отмечалось в ряде теоретических работ [27,28], различие фазовых расслоений вследствие сильной связи ян-теллеровских ионов с решеткой кристалла может приводить к возникновению локальных упругих деформаций решетки и даже к изменению макроскопических упругих свойств кристалла. И в этом случае для их обнаружения наиболее пригодны акустические методы. Ранее ультразвуковые волны уже неоднократно использовались для изучения особенностей структурных и магнитных фазовых переходов в манганитах [18-23]. Однако, применение сравнительно низких частот (0,1 - 10 МГц) соответственно с длинами волн, превышающими миллиметровый диапазон, не позволяло изучать не только различные виды структурных и магнитных неоднородностей, но и особенности самих фазовых переходов. Кроме того, акустические исследования в большинстве случаев не сопровождались одновременным использованием других методов. Применение комплексной методики исследований с использованием значительно более высоких частот ультразвуковых колебаний (700 - 800 МГц) в сочетании с электрическими и магнитными измерениями, несомненно, могли бы способствовать получению новой информации о манганитах и возможностях их практического применения.
Цель и основные задачи диссертационной работы. Цель работы состояла в изучении особенностей структурных и магнитных фазовых переходов, образования микроскопических неоднородностей в лантан-стронциевом манганите состава ЬаЬх8гхМпОз (х = 0,175) и их влияния на транспорт носителей. Для ее достижения необходимо было решить следующие задачи: - исследовать особенности распространения продольных и поперечных ультразвуковых волн, изменение намагниченности и электрического сопротивления в образце манганита в температурном диапазоне (150 - 350) К; исследовать влияние приложенного магнитного поля на упругие, электрические и магнитные характеристики образца; исследовать особенности формирования структурных и магнитных неоднородностей вблизи фазовых переходов.
Содержание работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка авторских публикаций и списка цитированной литературы.
В первой главе рассматриваются вопросы симметрийного описания манганитов. Приводится обзор структурных, магнитных, электрических свойств манганитов лантана. Детально описана кристаллическая и магнитная структура исследуемых нами систем типа La - Sr - Mn - О, показаны возможные изменения кристаллической структуры, их причины. Особое внимание уделено влиянию эффекта Яна-Теллера (ЯТ) на структурные фазовые переходы в манганитах. Приводятся основы теории фазовых переходов.
Вторая глава диссертации полностью посвящена обзору экспериментальной техники и методики измерений ультразвуковых параметров, удельного электросопротивления, результатам исследования магнитных, электрических и акустических параметров манганита лантана состава Lai.xSrxMn03 {х — 0,175). При проведении акустических исследований
9 использовался импульсный эхо-метод. Образец с помощью специальной акустической связки закреплялся между двумя пьезопреобразователями, один из которых использовался как передатчик, а другой - как приемник ультразвуковых колебаний. Описывается устройство и принцип работы импульсного акустического спектрометра, на котором были выполнены все акустические исследования.
Измерения удельного электросопротивления проводились четырехзондовым методом, который в настоящее время является наиболее распространенным. Приводится методика расчета ультразвуковых параметров, удельного электросопротивления изучаемого нами манганита Ьа0)825$Го,175Мп03. По результатам исследования намагниченности была определена температура Кюри нашего образца (282 К), вычислен средний магнитный момент, приходящийся на один атом Мп. Гистерезисный участок на низкополевой кривой М{Н,Т), обнаруженный в интервале температур (175 - 215) К, относится к структурному фазовому переходу. Структурный фазовый переход в районе 200 К виден и по гистерезису электросопротивления исследуемого манганита. Акустические исследования показали, что в интервалах температур (300 - 310) К, (275 - 297) К, (200 - 220) К происходят значительные изменения в затухании и скорости ультразвука. Аномалии вблизи 282 К связаны с магнитным фазовым переходом из парамагнитного в ферромагнитное состояние. Изменения в районе 305 К и 210 К являются следствием структурного фазового перехода от ромбоэдрической к орторомбической симметрии.
Наиболее неожиданным результатом акустических исследований нашего манганита стало наблюдение трансформации импульса продольной УЗ волны в квазипоперечную. Этот эффект обсуждается в третьей главе диссертации. Мы объяснили впервые наблюдаемую модовую трансформацию возникновением в нашем манганите в определенном диапазоне температур неоднородностей микроскопического размера. Поскольку в нашем случае длина волны ультразвука составляет несколько микрометров, то следовало ожидать
10 наиболее сильного взаимодействия ультразвука с соразмерными длине волны неоднородностями. Одним из механизмов, приводящих к эффективной генерации МУ волн на неоднородностях является вызванное увеличением объема ферромагнитной фазы возрастание магнитострикции от нулевых значений при Т > 300 К до 5 10 "4 при Т < 260 К для образца аналогичного состава (х = 0,17). Такому возрастанию магнитострикции соответствует изменение скоростей ультразвуковых волн, которые также пропорциональны величине МУ взаимодействия. Образование обнаруженных микроскопических неоднородностей связано, на наш взгляд с двухфазным структурным состоянием (ромбоэдрической и орторомбической фазами) в широкой области температур.
Материал четвертой главы диссертации посвящен структурному фазовому переходу из ромбоэдрического в орторомбическое состояние в исследуемом нами манганите и влиянию на характер этого перехода магнитного поля. На основании характера аномалий в затухании н скорости ультразвука вблизи 300 и 200 К и их поведения в приложенном магнитном поле, анализа имеющихся литературных данных мы показали, что в широком интервале температур (200 - 300) К в исследуемом нами образце манганита лантана имеет место сосуществование двух структурных фаз -ромбоэдрической и орторомбической.
В заключении подводится итог проведенным исследованиям и приводятся основные результаты и выводы.
Научная новизна диссертационной работы определяется следующими результатами:
Экспериментально обнаружено и теоретически интерпретировано возникновение микронеоднородностей (магнитоупругих доменов) вблизи магнитного фазового перехода.
Обнаружена генерация когерентных магнитоупругих колебаний на магнитоупругих доменах.
3. Обнаружено два температурных структурных фазовых перехода из ромбоэдрической в орторомбическую фазу. Установлено влияние спонтанной намагниченности и приложенного магнитного поля на структурный переход.
4. Установлено влияние электрон-решеточного взаимодействия на структурные фазовые переходы.
Практическая значимость полученных результатов состоит в возможности использования обнаруженного эффекта генерации когерентных колебаний магнитоупругими доменами в качестве нового способа модового и частотного преобразования ультразвуковых волн в широком частотном диапазоне до 1 ГГц и комнатных температурах. Резкое и значительное изменение скорости и затухания ультразвуковых волн вблизи пересечения температур структурного и магнитного фазовых переходов может найти применение для амплитудной модуляции, перестройки акустических резонаторов и переключения акустических пучков с помощью относительно малых магнитных полей (~ 0,1 Тл) или градиентов температур АГ~ 1С).
На защиту выносятся следующие положения:
Обнаруженные микронеоднородности вблизи магнитного фазового перехода интерпретируются как магнитоупругие домены, возникающие за счет двухфазного структурного состояния манганита данного состава в широком температурном диапазоне.
Процесс генерации магнитоупругих когерентных колебаний на микронеоднородностях объясняется формированием когерентной моды за счет высокой акустической добротности образца при многократном отражении колебаний от плоскопараллельных торцов образца.
Характер температурной зависимости электросопротивления образца указывает на переход от полупроводникового (выше 280 К) к металлическому типу проводимости.
Обнаруженный температурный гистерезис в структурном фазовом переходе определяется влиянием намагниченности образца и приложенного магнитного поля. Причем это влияние возрастает при приближении
12 температуры магнитного перехода к температурной области структурного перехода.
5. Структурный фазовый переход между ромбоэдрическим и орторомбическим состояниями вблизи 300 К влияет на характер магнитного упорядочения в манганите данного состава.
Достоверность полученных результатов обеспечена комплексным характером выполненных экспериментальных исследований, их многократной повторяемостью, непротиворечивостью результатов, полученных различными методами. Полученные результаты проанализированы на предмет соответствия экспериментальным результатам и теоретическим моделям, опубликованным в научных статьях, обзорах и монографиях.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международной научной конференции «Актуальные проблемы физики твердого тела» (Минск, 1 - 5 ноября 2003 г.), The Moscow International Symposium on magnetism (Moscow, June 20-24, 2002), 8-ой международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (Таганрог, 14 - 19 сентября 2002 г.), IV научно-практической конференции молодых ученых и специалистов республики Татарстан (Казань, 11-12 декабря 2001 г.), VII Российской молодежной научной школе «Новые аспекты применения магнитного резонанса» (Казань, 1-3 декабря 2003 г.), итоговых научных конференциях КФТИ КазНЦ РАН им. Е.К. Завойского в 2001 -2004 г.г.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 2х научных статьях и 5 тезисах международных и всероссийских конференций.
Личный вклад автора диссертации состоит в: проведении исследований затухания и скорости высокочастотного ультразвука в исследуемом образце, обработке результатов измерений; проведении измерений удельного электросопротивления исследуемого образца; участии в обсуждении результатов акустических, электрических и магнитных измерений, выполненных на этом образце.
Часть исследований была выполнена в лаборатории магнитоакустики КФТИ им. Е.К. Завойского КазНЦ РАН и ИФМ УрО РАН при поддержке грантом РФФИ 02-02-16440.
Эффект Яна-Теллера и его влияние на симметрию кристаллов манганита
Материал четвертой главы диссертации посвящен структурному фазовому переходу из ромбоэдрического в орторомбическое состояние в исследуемом нами манганите и влиянию на характер этого перехода магнитного поля. На основании характера аномалий в затухании н скорости ультразвука вблизи 300 и 200 К и их поведения в приложенном магнитном поле, анализа имеющихся литературных данных мы показали, что в широком интервале температур (200 - 300) К в исследуемом нами образце манганита лантана имеет место сосуществование двух структурных фаз -ромбоэдрической и орторомбической.
В заключении подводится итог проведенным исследованиям и приводятся основные результаты и выводы. Научная новизна диссертационной работы определяется следующими результатами: 1. Экспериментально обнаружено и теоретически интерпретировано возникновение микронеоднородностей (магнитоупругих доменов) вблизи магнитного фазового перехода. 2. Обнаружена генерация когерентных магнитоупругих колебаний на магнитоупругих доменах. и 3. Обнаружено два температурных структурных фазовых перехода из ромбоэдрической в орторомбическую фазу. Установлено влияние спонтанной намагниченности и приложенного магнитного поля на структурный переход. 4. Установлено влияние электрон-решеточного взаимодействия на структурные фазовые переходы.
Практическая значимость полученных результатов состоит в возможности использования обнаруженного эффекта генерации когерентных колебаний магнитоупругими доменами в качестве нового способа модового и частотного преобразования ультразвуковых волн в широком частотном диапазоне до 1 ГГц и комнатных температурах. Резкое и значительное изменение скорости и затухания ультразвуковых волн вблизи пересечения температур структурного и магнитного фазовых переходов может найти применение для амплитудной модуляции, перестройки акустических резонаторов и переключения акустических пучков с помощью относительно малых магнитных полей ( 0,1 Тл) или градиентов температур АГ 1С).
На защиту выносятся следующие положения: 1. Обнаруженные микронеоднородности вблизи магнитного фазового перехода интерпретируются как магнитоупругие домены, возникающие за счет двухфазного структурного состояния манганита данного состава в широком температурном диапазоне. 2. Процесс генерации магнитоупругих когерентных колебаний на микронеоднородностях объясняется формированием когерентной моды за счет высокой акустической добротности образца при многократном отражении колебаний от плоскопараллельных торцов образца. 3. Характер температурной зависимости электросопротивления образца указывает на переход от полупроводникового (выше 280 К) к металлическому типу проводимости. 4. Обнаруженный температурный гистерезис в структурном фазовом переходе определяется влиянием намагниченности образца и приложенного магнитного поля. Причем это влияние возрастает при приближении температуры магнитного перехода к температурной области структурного перехода. 5. Структурный фазовый переход между ромбоэдрическим и орторомбическим состояниями вблизи 300 К влияет на характер магнитного упорядочения в манганите данного состава. Достоверность полученных результатов обеспечена комплексным характером выполненных экспериментальных исследований, их многократной повторяемостью, непротиворечивостью результатов, полученных различными методами. Полученные результаты проанализированы на предмет соответствия экспериментальным результатам и теоретическим моделям, опубликованным в научных статьях, обзорах и монографиях. Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международной научной конференции «Актуальные проблемы физики твердого тела» (Минск, 1 - 5 ноября 2003 г.), The Moscow International Symposium on magnetism (Moscow, June 20-24, 2002), 8-ой международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (Таганрог, 14 - 19 сентября 2002 г.), IV научно-практической конференции молодых ученых и специалистов республики Татарстан (Казань, 11-12 декабря 2001 г.), VII Российской молодежной научной школе «Новые аспекты применения магнитного резонанса» (Казань, 1-3 декабря 2003 г.), итоговых научных конференциях КФТИ КазНЦ РАН им. Е.К. Завойского в 2001 -2004 г.г. Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 2х научных статьях и 5 тезисах международных и всероссийских конференций. Личный вклад автора диссертации состоит в: проведении исследований затухания и скорости высокочастотного ультразвука в исследуемом образце, обработке результатов измерений; проведении измерений удельного электросопротивления исследуемого образца; участии в обсуждении результатов акустических, электрических и магнитных измерений, выполненных на этом образце. Часть исследований была выполнена в лаборатории магнитоакустики КФТИ им. Е.К. Завойского КазНЦ РАН и ИФМ УрО РАН при поддержке грантом РФФИ 02-02-16440.
Описание экспериментальной установки и методика измерений ультразвуковых параметров
В кристаллах с большой концентрацией ян-теллеровских ионов искажения отдельных комплексов центров и заполнение их орбиталей являются взаимосвязанными. В частности, кооперативный характер искажений связан с упорядочением орбиталей и появлением на центре квадрупольного момента. Последний возникает за счет изменения распределения плотности заряда. В принципе между ян-теллеровскими ионами может существовать три типа взаимодействий: электрон-колебательное, квадрупольное и обменное. Первые два типа взаимодействия возникают за счет кулоновского взаимодействия либо через анионы, либо через квадрупольные моменты, и не зависят практически от спинового взаимодействия. Как было установлено в ряде работ [13,28,35], для манганитов наиболее эффективным является обменное взаимодействие, вследствие которого может возникать как спиновое, так и орбитальное упорядочение.
Фазовым переходом (ФП) называется скачкообразное превращение одного макроскопического состояния вещества в другое многочастичной системы, происходящее при определенных значениях внешних параметров (температуры Т, давления Р, магнитного поля Н и т.п.). Характеристики ФП определяются термодинамическим потенциалом Ф, представляющим определенную функцию объема V, давления Р, температуры Т, энтропии S и других макроскопических параметров, которыми можно описать состояние системы, испытывающей фазовый переход [29]. Различают ФП первого и второго рода. ФП первого рода (ФП1) характеризуется равенство термодинамических потенциалов Ф двух фаз, между которыми происходит переход: ФХ{Т,Р,Н)-Ф2{Т,Р,Н). При этом их производные не совпаДают что и приводит к скачкообразным изменениям этих величин. Вблизи точки ФП1 в обеих фазах возникают локальные минимумы Ф, одна из фаз является полностью стабильной, а другая - метастабильной (неустойчивой). Для ФП1 характерно явление гистерезиса, когда при температурном переходе точки ФП одна из фаз, первоначально имевшая стабильное состояние, переходит в метастабильное состояние с сохранением в определенном интервале (ДГ,ДР,Д#) своих параметров. В точке равновесия обе фазы могут существовать долго, т.е. в этом случае имеет место фазовое расслоение.
При фазовых переходах второго рода (ФП2) первоначально устойчивая фаза более не соответствует никакому минимуму свободной энергии и не может существовать, т.е. отсутствует расслоение фаз и гистерезис. Наиболее распространены структурные и магнитные фазовые переходы.
Структурные ФП (СФП) в кристаллах состоят в перестройке структур этих тел за счет изменения взаимного расположения отдельных ионов или их групп и приводящее к изменению типа симметрии кристалла. Наиболее частым является СФП при изменении температуры (Г). При понижении Т до точки СФП происходит переход из кристаллической структуры с более высокой симметрией в структуру с более низкой симметрией. СФП называются собственными, если изменяется только точечная симметрия кристалла и несобственными, если изменяется трансляционная симметрия кристалла. СФП обычно сопровождаются изменением упругих, магнитных или электрических свойств твердого тела. Многие СФП сопровождаются изменением фононного спектра, появлением мягкой моды. Затухание колебаний резко возрастает, а модуль упругости падает с приближением Т к точке СФП.
Макроскопической характеристикой фазы обычно считают параметр упорядочения, т.е. наличие пространственной корреляции микроструктуры вещества. В кристаллах он является мерой отклонения от состояния с более высокой симметрией. В теории Ландау для ФП [28] термодинамический потенциал Ф раскладывается в ряд по параметру порядка г). (1-8) где Ф0 - на зависящая от ц часть свободной энергии, коэффициенты A B CbD - определяются конкретными параметрами ФП.
Из условий термодинамического равновесия, т.е. минимума свободной энергии /$-.-$ следует, что коэффициент при первой степени г} равен нулю. Из условия Ф/ 2 вытекает, что коэффициент при rf в окрестности является линейной функцией температуры. Таким образом, выражение Ф(Т,т]) можно представить в виде
Причем для ФП второго рода (ФШ) коэффициент Ь-0, а для ФП первого рода (ФП1) й/0 и возникает скачок порядка при Т0. Любой ФП в кристалле сопровождается появлением в точке ФП иного набора физических величин, отсутствующих в исходной фазе. Они разделяются на микроскопические и макроскопические параметры. К первым относятся атомные смещения, вероятности нахождения атомов в данном узле. Ко вторым относятся компоненты тензора деформации, векторов поляризации или намагниченности и ряд тензоров более высокого порядка.
Экспериментальные результаты по изучению микроскопических неоднородностей
Образец закреплялся между пьезопреобразователями с помощью специальной акустической связки. Среди критериев, по которым выбирается связка, наибольшее внимание стоит уделить следующим: необходимо обеспечение наиболее полного согласования пьезоэлектрика и образца для продольных волн, связка должна обладать малыми потерями энергии, быть достаточно упругой, чтобы различие коэффициентов теплового расширения пьезопреобразователя и образца не приводило к ее разрыву [47]. Наши эксперименты показали, что для продольных ультразвуковых колебаний оптимально использование кремнийорганического масла ГКЖ-94, а для поперечных - эпоксидной смолы. Эти смазки выдерживали весь цикл температурного изменения от комнатных значений до 150 К и обратно.
Все исследования акустических параметров нашего манганита проводились на импульсном спектрометре [48] на частоте 770 МГц, структурная схема которого представлена на рис. 2.4. В состав спектрометра входят: 1) ВЧ-генератор; 2) ВЧ-приемник; 3) Импульсный задающий генератор Г5-54; 4) акустическое устройство; 5) Аттенюатор; 6) Циркулятор; 7) Аналого-цифровой преобразователь; 8) Персональный компьютер; 9) Тесламетр 43205; ВЧ-генератор формирует ВЧ электромагнитный импульс (в нашем случай с частотой 770 МГц). При этом предел регулирования частоты генератора составляет ± 20 МГц. Импульсный задающий генератор Г5 - 54 используется в качестве модулятора ВЧ-сигнала, вырабатываемого генератором. Далее сигнал с максимальной амплитудой ІІвьіх 500 В подается через аттенюатор и циркулятор на акустическое устройство.
После преобразования в УЗ волну при помощи пьезопреобразователя, прохождения через образец и обратного преобразования в электромагнитный сигнал, ослабленный сигнал-отклик подается на широкополосный приемник гетеродинного типа, основные характеристики которого приведены в таблице 2.1
После этого усиленное напряжение (в нашем случае это эхо-экспонента, являющаяся результатом многократного отражения акустического импульса от одного из торцов образца и несущая в себе информацию о затухании и скорости распространения ВЧ УЗ волн в образце), поступает на аналого-цифровой преобразователь, работа которого синхронизируется генератором запускающих импульсов, а затем результаты оцифровки выводятся на персональный компьютер. При этом оцифровка зависимости амплитуды от времени производилась с шагом в 10 наносекунд. Для повышения точности измерений каждая точка этой зависимости промерялась 10 раз, а затем - усреднялась. В дальнейшем с помощью графического пакета Origin 6.1 и математического пакета программ Mathcad 2000 производилась обработка результатов измерений.
Поскольку длительность импульса (г = 0,5 -г 1 мкс) была сравнима со временем его прохождения через образец, то в образце могли одновременно генерироваться различные колебательные моды за счет упругой или магнитной нелинейностей. При высокой акустической добротности ( 10 ) эти колебания становились когерентными.
Измерения проводились в криостате с азотной продувкой, помещенном в зазор электромагнита. Зазор между наконечниками электромагнита составлял 60 мм.
Для определения абсолютных значений скоростей звука о измерялся временной интервал / между серединами радиоимпульса (t,) и первого прошедшего через два пьезопреобразователя и образец УЗ импульса (t5), взятыми по уровню ОД. Время однократного прохождения УЗ импульса через образец определялось как где L - длина образца; tnpl LnpI/vnp, tnp2 = Lnp2 /vnp - время прохождения УЗ импульса через пьезопреобразователи с длинами Lnpl и Lnp2 \ vnp - скорость звука в пьезопреобразователях (7,3 105 см/сек - для ниобатов литиям - среза (продольный ультразвук) и 4,8 105 см/сек - для ниобатов лития х - среза (поперечный ультразвук) [49]). Амплитуда акустических импульсов представлена в виде отношения амплитуды первого прошедшего через образец акустического импульса при данной температуре к максимальной амплитуде, которая регистрируется приемником (порядка 2,5 В). Точность абсолютных измерений амплитуды и скорости составила 5 % и зависела в основном от таких параметров, как длительность и форма импульса. Для измерения удельного электросопротивления (УЭС) использовался стандартный четырехзондовый метод, который в настоящее время является в самым распространенным, поскольку обладает высокими метрологическими характеристиками, не требует создания омических контактов к образцу [50]. Суть этого метода заключается в следующем (рис. 2.5). Четыре вольфрамовых зонда, выстроенных в ряд, плотно прижимаются к одной из поверхностей исследуемого образца. Через два крайних зонда пропускался электрический ток, подаваемый от лабораторного стабилизированного выпрямителя ТЭС14 через сопротивление Я = 1 кОм. Разность потенциалов между двумя средними зондами измерялась электронным цифровым вольтметром ФЗО с высоким входным сопротивлением, позволяющим измерять значения разности потенциалов до нескольких микровольт.
Феноменологическая модель перехода R - О
Поэтому мы основное внимание обратили на относительно небольшие магнитные поля (Я 10 кЭ (/ 0Я 1 Тл)). В результате дополнительно проведенных исследований [50] были установлены следующие закономерности в изменении сопротивления в малых полях: - значения КМС достигали 40% в поле 9 кЭ и имели максимум по температуре при 288 К. Ниже и выше этой температуры значения КМС быстро убывали; - максимальное значение КМС находится на 5 К выше Тс и попадает в интервал возрастания намагниченности образца; возрастание значения КМС пропорционально увеличению намагниченности; - температурная петля гистерезиса в магнитном поле ( 10 кЭ) расширяется от 180 до 300 К. Были выполнены оценки влияния намагниченности образца на уменьшение сопротивления. Задача усложняется тем обстоятельством, что в условиях магнитного фазового перехода спонтанная намагниченность имеет температурный ход, что приводит к нелинейной зависимости общей намагниченности М от приложенного магнитного поля. На рис. 2.9 представлены графики зависимостей сопротивления и намагниченности от напряженности приложенного магнитного поля для трех температур, полученные путем аппроксимации результатов работ [12,36,51]. Из анализа этих графиков просматривается корреляция между уменьшением сопротивления и ростом общей намагниченности (рис. 2.10), причем для различных температур выше Тс графики р(М) практически совпадают. Более усложненный характер имеет зависимость величины КМС от намагниченности. В феноменологической модели Фурукавы [53], основанной на ферромагнитном механизме рассеяния носителей, было предложено простое выражение для зависимости КМС от намагниченности, справедливое для малых значений намагниченности М по сравнению с намагниченностью насыщения Ms (М 0,3Ms) Причем было предположено, что с может достигать нескольких единиц для сильного ферромагнитного обмена. Как показали результаты расчета по формуле (2.3), исходя из графика (рис. 2.11), во-первых, действительно существует квадратичная зависимость значения КМС от относительной намагниченности, а во-вторых, значение с составляет примерно 4. Таким образом, отрицательное магнетосопротивление достигает практически половины от максимального значения уже в поле 10 кЭ и возрастает пропорционально квадрату относительной намагниченности до значений М 0,3 Ms Были измерены скорости продольных (uj) и поперечных (ц) ультразвуковых волн, а также их затухание (АпА{) в зависимости от температуры в интервале (150 - 340) К и приложенного магнитного поля [51,54-57]. Как следует из характера кривых (рис. 2.12, 2.13), отображающих температурные зависимости скоростей, значения uj и vt начинают несколько возрастать с 340 К и достигают максимума при 310 К. Затем в интервале (300 - 310) К наблюдается первый минимум в значениях скоростей и} и ot.
Значения амплитуд Aj и At в этом диапазоне соответствуют изменениям в скорости: с увеличением скорости возрастают амплитуды и наоборот (рис. 2.14, 2.15). Приложение магнитного поля (Я = 10 кЭ) практически не влияло на значения скорости и амплитуды акустических импульсов при Т 310 К. Ниже Т = 310 К началось изменение скоростей и затухания в приложенном магнитном поле. Минимум скоростей несколько подавлялся полем, а положения минимумов скоростей и амплитуд импульсов Aj и At смещались в сторону больших температур. Второй минимум в скоростях У/ и vt наблюдался в интервале температур (275 - 297) К с центром вблизи 282 К. Приложение магнитного поля в этом интервале приводило к увеличению акустической жесткости образца. Резкий минимум в значениях у; и ut сопровождался таким же уменьшением амплитуд импульсов продольной и поперечной волн. Приложение магнитного поля несколько сдвигало область минимальных значений скорости и амплитуды в область более высоких температур.
Ниже 280 К наблюдалось постепенное увеличение в затухании продольных акустических волн, что затрудняло точное измерение их скорости. Амплитуда поперечной акустической волны несколько уменьшалась до значений 220 - 200 К, а затем резко возрастала ниже 200 К.
Скорость поперечной волны испытывала минимум в интервале (210 - 220) К, а в более низкотемпературном диапазоне начинала возрастать. Приложение магнитного поля увеличивало значение о( во всем температурном диапазоне (150 - 280) К. Следует подчеркнуть различие в характере всех трех обнаруженных аномалий. В интервалах (300 - 310) К и (200 - 220) К наблюдался температурный гистерезис в минимальных значениях амплитуды и скорости, а в акустической аномалии вблизи 282 К такого гистерезиса не наблюдалось.
