Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 7
1.1. Мессбауэровская дифракция на магнитоупорядоченных кристаллах 7
1.2. Исследования магнитных свойств кристаллов 12
ГЛАВА П. АППАРАТУРА. МЕТОДИКА И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 17
2.1. Мессбауэровский дифрактометр 17
2.2. Методика измерений 23
2.3. Исследуемые образцы 35
ГЛАВА Ш. ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ НАМАГНИЧИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ
МЕТОДОМ МЕССБАУЭРОВСКОЙ ДИФРАКЦИИ 45
3.1. Наблюдение процессов намагничивания гематита 48
3.2. Исследование процессов намагничивания бората железа 5?ГеВ03 59
ГЛАВА ІУ. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ МЕССБАУЭРОГРАФИЧЕСКОГО ОПРЕЩЕЛЕНИЯ МАГНИТНОЙ СТРУКТУРЫ МОНОКРИСТАЛЛА Ге3В06 88
ВЫВОДЫ 105
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 108
ЛИТЕРАТУРА 109
- Исследования магнитных свойств кристаллов
- Мессбауэровский дифрактометр
- Наблюдение процессов намагничивания гематита
- ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ МЕССБАУЭРОГРАФИЧЕСКОГО ОПРЕЩЕЛЕНИЯ МАГНИТНОЙ СТРУКТУРЫ МОНОКРИСТАЛЛА Ге3В06
Введение к работе
Одной из активно развивающихся в последние годы областей физики, в которой используется эффект Мессбауэра [1,2], является дифракция резонансного гамма-излучения на кристаллах [3,4] - мес-сбауэровская дифракция.
При рассеянии мессбауэровского излучения на кристаллах, содержащих резонансные ядра, кроме рассеяния на атомных электронах (релеевского рассеяния) идет и резонансное рассеяние на этих ядрах. Исключительно высокая монохроматичность мессбауэровского излучения, а также тот факт, что сечение ядерно-резонансного рассеяния на несколько порядков больше сечения релеевского рассеяния, обуславливают широкое применение резонансного рассеяния даже для сложных химических [5] и биологических [б] соединений, в которых на одно резонансное ядро приходится до нескольких сотен немессбауэровских ядер.
Следствием анизотропии резонансного рассеяния при наличии сверхтонкого расщепления является отсутствующая в рентгеновской дифракции азимутальная зависимость [4] мессбауэровских дифракционных максимумов на монокристаллах, т.е. зависимость ядерной амплитуда рассеяния от направления магнитных и электрических полей на ядрах. Наличие такой зависимости позволяет применять мес-сбауэровскую дифракцию для исследования магнитной и электрической структуры кристаллов.
Экспериментальные исследования в настоящей диссертационной работе основаны на существовании зависимости амплитуды ядерно-резонансного рассеяния от ориентации сверхтонких магнитных полей на _ 4 - рассеивающих ядрах [7] и направлены на выяснение магнитных свойств кристаллов с помощью мессбауэровской .дифракции, а именно: изучение процессов намагничивания и перемагничивания кристаллов, наблюдение магнитной анизотропии, установление спинового упорядочения в кристалле и т.п. Другими словами, работа посвящена практической реализации метода установления магнитных свойств кристаллов с помощью дифракции мессбауэровского излучения, т.е. метода магнитной мес-сбауэрографии [8].
Необходимо отметить, что до настоящего времени единственным реализованным методом прямого определения магнитной структуры кристаллов был метод магнитной нейтронографии [9], к недостаткам которого следует отнести: необходимость наличия ядерного реактора, кристаллов больших размеров; невозможность исследования кристаллов селективно по их толщине; серьезные трудности, а иногда и невозможность, исследования кристаллов, содержащих изотоп с большим сечением захвата тепловых нейтронов. Поэтому разработка и практическая реализация другого экспериментального метода определения магнитной структуры кристаллов - актуальная задача.
Кроме того, в силу острого резонансного характера энергетической зависимости сечения взаимодействия мессбауэровских гамма-квантов с ядрами, можно, меняя энергию падающего на кристалл излучения (с помощью эффекта Допплера), обеспечивать проникновение резонансного гамма-излучения в кристалл на разные глубины и, таким образом, исследовать магнитные свойства кристалла с помощью излучения, дифрагировавшего с различных по толщине слоев кристалла. В совокупности с геометрией эксперимента это позволяет неразрушающим образом исследовать магнитные свойства слоев кристалла, толщины которых находятся в пределах «0,01 - 100 мкм [IO]. Особый интерес в связи с этой возможностью представляет изучение магнитных свойств тонкого поверхностного слоя кристаллов, что затруднительно, а иногда и невозможно, сделать другими методами.
В рамках настоящей работы впервые с помощью мессбауэровскои дифракции исследованы процессы намагничивания и перемагничивания кристаллов, для чего был разработан и применен оригинальный способ [Ю], а также сделана попытка практического использования метода магнитной мессбауэрографии для определения магнитной структуры кристалла.
В качестве объектов для исследований были выбраны слабоферромагнитные монокристаллы гематита (X -I^Og и боратов железа
47 ГеВОд и PegBOg, обогащенные мессбауэровским изотопом Fe. Гематит и борат железа ГеВОд - уже традиционные объекты исследований в мессбауэровскои дифракции, а монокристаллы бората железа Fe3B0g впервые исследуются [іІ-ІЗ] методом мессбауэровскои дифракции. с;7 47
Кристаллы сХ- РЄ2О3 и ГеВ03 были выбраны для изучения процессов намагничивания и перемагничивания в базисной плоскости, которая для этих кристаллов является т.н. "легкой плоскостью", и наличие слабоферромагнитного момента в этой плоскости позволяло в процессе экспериментов изменять направление больших магнитных полей на ядрах с помощью малых внешних магнитных полей, а выбор монокристалла uTe3B0g объясняется тем, что его магнитные свойства исследованы слабо, хотя уже сейчас ясно, что этот кристалл обладает рядом свойств, делающих его перспективным для исследований в физике магнитных явлений и физике твердого тела.
На защиту выносятся следующие положения:
I. Новый способ исследования магнитных свойств кристаллов, основанный на дифракции мессбауэровского излучения, позволяет неразрушающим образом изучать различные по толщине ( ^ 0,01 -- 100 мкм) слои кристаллов.
2. Наблюдение мессбауэровской .дифракции на слабоферромагнит- с;7 R7 ных кристаллах ос- Fe203 и 'РеВ03 при их намагничивании и пе-ремагничивании в базисной плоскости доказывает возможность мес-сбауэрографического исследования магнитного гистерезиса кристаллов и скачков намагниченности, обусловленных перемагничиванием отдельных доменов, а также возможность различия этих явлений в тонком поверхностном слое кристалла и в его объеме в целом.
Новое явление, обнаруженное в монокристаллах и'ГеВ03, заключается в существовании в поверхностных слоях ( Ь 0,1 глкм) их базисных граней нового типа одноосной магнитной анизотропии, отсутствующей в объеме этих кристаллов; оси обнаруженной анизотропии на противоположных гранях кристалла совпадают с (разными) кристаллографичесішшї осягли симметрии второго порядка и составляют между собой угол 2*120.
Сравнения экспериментально полученных угловых зависимостей интенсивности мессбауэровского излучения,, дифрагировавшего на монокристалле Pe3B0g в два чисто ядерных магнитных рефлекса (700), (11,0,0) , с аналогичными зависимостями, полученными на основании существующей теории мессбауэровской дифракции, не достаточно .для однозначного определения магнитной структуры этого кристалла.
Исследования магнитных свойств кристаллов
Изучение магнитных свойств во многих случаях дает возможность получать такие сведения о микроструктуре реальных кристаллов, которые нельзя получить другими путями. Свойства же магнитных материалов чрезвычайно структурно-чувствительны, и поэтому развитие физики магнитных материалов и, в частности, магнитоупо-рядоченных кристаллов, имеет важное значение для современной физики реального твердого тела в целом.
В области техники применение магнитоупорядоченных кристаллов способствует развитию таких отраслей, как электронная техника, автоматические устройства и системы управления, запись звуков и изображений и многие другие. Создание новейших кристаллов с цилиндрическими доменами [73] открыло перспективу создания принципиально новых устройств, работа которых основана непосред - ІЗ ственно на взаимодействии отдельных доменов.
Несмотря на большое научно-техническое значение многие магнитные свойства кристаллов изучены еще недостаточно. Одной из основных проблем при создании магнитоупорядоченных кристаллов с заданными свойствами является установление механизмов процессов намагничивания и перемагничивания [74], обусловленных как распределением спиновой плотности электронов, так и зонной структурой междоменных границ реальной кристаллической решетки с расщеплением энергетических уровней внешним магнитным полем. Крайне важна также задача установления спиновой магнитной структуры кристаллов, как основного магнитного свойства, без знания которого невозможно рассчитывать магнитные анизотропные взаимодействия в кристалле, выяснять природу магнитных фазовых переходов и т.п.
Наиболее непосредственное экспериментальное определение магнитной структуры до сих пор производилось методом дифракции нейтронов [9], который основан на том, что нейтроны, в противоположность рентгеновским лучам, обладают магнитным моментом, и поэтому .дифракция нейтронов обнаруживает атомную магнитную структуру точно так же, как и расположение ядер в кристалле.
Исследования намагниченности образцов и процессов ее изменения, заключающиеся в измерении силы, с которой образец взаимодействует с некоторым магнитным полем, или в измерении индуцированной э.д.с. в катушке, внутри которой помещен образец, позволяют судить только о свойствах всего исследуемого образца в целом. Аналогичный недостаток имеют методы количественной оценки различных типов магнитной анизотропии, в которых измеряется вращательный момент, действующий на монокристалл, вырезанный в форме круга, шара и т.п., и помещенный в однородное магнитное поле, или измеряются малые магнитострикционные деформации.
Традиционные методы физики магнитных явлений, основанные на резонансных явлениях (ферро-, антиферро-, ферри-и ядерный магнитные резонансы) в магнетиках и заключающиеся в измерении резонансной частоты поглощения атомов или ядер, позволяют определить величины эффективных магнитных полей в кристаллах [75]. К недостаткам магнитных резонансных методов относятся необходимость наличия образцов больших размеров и невозможность их селективного по толщине исследования. Отметим, что величины эффективных магнитных полей можно определять и из мессбауэровских спектров на пропускание [5], по величине ядерного зеемановского расщепления.
В работе [76] обсуждаются свойства антиферромагнетиков, включая слабые ферромагнетики, и ферритов, связанные с доменной структурой, а также методы их исследования. Описываются различные типы доменов и доменных границ в магнитоупорядоченных кристаллах. Рассматриваются результаты экспериментального и теоретического изучения процессов намагничивания, магнитоупругих свойств, динамики доменных границ различных типов и подвижности доменов.
Мессбауэровский дифрактометр
Схема мессбауэровского дифрактометра, на котором выполнялись исследования, изображена на рис. I.
Пучок гамма-квантов от мессбауэровского источника 57Со(Сг) I, закрепленного на штоке электродинамического вибратора 2 и находящегося в свинцовой защите 3, через систему коллиматоров 4 падал на исследуемый кристалл 5, закрепленный на гониометре 6. Дифрагировавшее излучение регистрировалось полупроводниковым блоком детектирования (ПБД) 7. Одновременно, для контроля за скоростью движения штока вибратора, измерялся контрольный мессбауэровский спектр с помощью второго мессбауэровского источника 57Со(Сг) 8, закрепленного на другом конце штока вибратора, калибровочного поглотителя 9 и второго ПБД 10. Настройка кристалла на чисто ядерные магнитные дифракционные максимумы производилась с помощью тормозного излучения рентгеновской трубки II (по вторым порядкам отражения [80]), которое могло попадать на исследуемый образец
Схема. 1,8 - источники 5?Со, 2 - вибратор, 3 - свинцовая, защита, 4 - коллиматор, 5 - исследуемый образец, 6 - гониометр, 7,10 - полупроводіп-шовне блоки детектирования, 9 - калибровочный поглотитель, II - рентгеновская трубка, 12,13 - юстирозочные лазеры, 14 - катушки Гельмгольца. сквозь полый шток вибратора. Гониометрическая головка, на которой крепился кристалл при исследовании угловых зависимостей (см. главу ІУ), позволяла производить его вращение вокруг вектора .дифракции z на 360. Контроль за ориентацией кристалла во время эксперимента, а также юстировка дифрактометра осуществлялись с помощью лазеров 12, 13, как в [54]. Для обеспечения воз-мозности наложения на кристалл магнитных полей были изготовлены катушки Гельмгольца 14, которые так же, как и постоянный магнит, крепились на штативе рядом с гониометром. С целью уменьшения вибраций источников Со(Сг) 1,8 были изготовлены пластмассовые переходники, с помощью которых источники крепились на штоке вибратора 2.
Гониометр 6 из комплекта сканирующей рентгендифракционной микрографической камеры производства фирмы "Rtgakw Denkl " (Япония) имел следующие параметры. Поворот кристалла вокруг главной оси гониометра осуществлялся в пределах 0 - 360. Погрешность установки абсолютного значения углов составляла +3 . Погрешность установки относительного значения углов, которая является наиболее важной при настройке кристалла на дифракционный максимум, в пределах 2 составляла 2".
class3 ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ НАМАГНИЧИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ
МЕТОДОМ МЕССБАУЭРОВСКОЙ ДИФРАКЦИИ class3
Наблюдение процессов намагничивания гематита
Экспериментальные исследования процессов намагничивания монокристалла гематита о( - Ге203 с помощью мессбауэровской .дифракции проводились по схеме, описанной в гл. П.
Пучок гамма-квантов расходимостью 0,6 от мессбауэров ского источника Со(Сг), закрепленного на штоке электродинами 47 ческого вибратора, дифрагировал на монокристалле (Х- РЄ2О3,
установленном в симметричное брэгговское (0Б#5,46) положение для чисто ядерного магнитного рефлекса (III), и регистрировался ПБД. Рассеяние мессбауэровских гамма-квантов происходило через ядерный переход 3/2—1/2. Пучок гамма-квантов отражался от всей поверхности кристалла. Контроль за стабильностью скорости движения источника в процессе эксперимента осуществлялся по интенсивности мессбауэровской линии поглощения калибровочного поглотителя, приготовленного из порошка о - ГЄ2О3.
Измерялась интенсивность .дифрагировавшего мессбауэровского излучения при постепенном изменении напряженности внешнего магнитного поля, приложенного вдоль линии пересечения базисной плоскости кристалла (III) с плоскостью рассеяния (К К ) гамма-квантов. Отметим, что, в принципе, аналогичным образом можно наблюдать процессы намагничивания вдоль любого другого направления, лежащего в базисной плоскости кристалла.
Из формулы (12) и рис. 9 видно, что интенсивность дифрагировавшего излучения максимальна в случае, когда АФО кристалла лежит в плоскости рассеяния ((X = 0,5Г ,... ,Sh ), и минимальна, когда АФО перпендикулярна плоскости рассеяния (СХ =0С/2, 35С/2,... ДП + 5Ї/2). Учитывая это, а также тот факт, что исследуемые кристаллы отличаются от "чистых" антиферромагнетиков наличием слабоферромагнитных моментов, перпендикулярных АФО, ясно, что сделанный выбор направления намагничивающего поля приводит к следующему. По мере увеличения напряженности Н внешнего магнитного поля слабоферромагнитные моменты многодоменного образца постепенно поворачиваются и выстраиваются вдоль направления этого поля, таким образом оказываясь в плоскости рассеяния (К К ), а это означает, что в результате намагничивания кристалла его АФО становится перпендикулярной плоскости (К К ). Интенсивность дифрагировавшего мессбауэровского излучения при этом, как отмечалось, достигает своего минимального значения. Другими словами, процесс намагничивания слабоферромагнитного образца в выбранной нами геометрии эксперимента сопровождается уменьшением интенсивности дифрагировавшего мессбауэровского излучения.
Исследование возможности мессбауэрографического опрещеления магнитной структуры монокристалла Ге3В06
В магнитоупорядоченных кристаллах, как известно, упорядочены только атомные спины, а ядерные спины, если не рассматривать сверхнизкие температуры, не упорядочены. Поэтому возможность получения информации о магнитном порядке в кристалле из дифракции гамма-квантов на ядрах с неупорядоченными спинами не является очевидной. Существование такой возможности обусловлено [47-49] уникально малой шириной мессбауэровской линии Г « 10 эВ, которая является причиной того, что в дифракции участвуют в основном ядра с определенной проекцией спина на направление Н атомных магнитных моментов. Таким образом появляется зависимость ядерной когерентной амплитуды рассеяния от ориентации Н. В случае, например, полностью разрешенного зеемановско-го расщепления ядерных уровней можно так подобрать энергию падающих на кристалл -квантов, чтобы она совпала с энергией Emm, одного из зеемановских переходов, и тогда резонансное рассеяние будет идти практически только через этот переход, т.е. в дифракции будут участвовать только те ядра, у которых проекция спина на направление Н равна її) . Так как при фиксированном квантовом числе V , характеризующем полный момент М количества движения ддра, проекция этого момента на направление Н может принимать 2 1+1 различных значений, то в среднем только одно из 2 +1 мессбауэровских ядер будет резонансно рассеивать, т.е. когерентная амплитуда только уменьшится в 2v+ І раз по сравнению со случаем полностью упорядоченных ядерных спинов, но качественно .дифракционная картина не изменится.
Объектом, на котором проводились в настоящей работе исследования возмозкности определения магнитного упорядочения методом мессбауэровской дифракции, был совершенный монокристалл 5TegB0g(
Мессбауэроспектроскопические и магнитные измерения [89-94] показывают, что ниже температуры спиновой переориентации Тсп 91 415 К соединение FegBOg может иметь одну из двух, симмет-рийно равноправных, слабоферромагнитных структур (рис. 8) с ориентацией вектора антиферромагнетизма L вдоль оси С и вектора слабого ферромагнетизма ГЛ - вдоль а . Однако, установить, какая из двух магнитных структур реализуется в кристалле, из этих исследований невозможно.
Похожие диссертации на Разработка и применение экспериментальных методов исследования магнитных свойств кристаллов с помощью дифракции резонансного гамма-излучения
