научная статья по теме АНИЗОТРОПНЫЕ МАГНИТНЫЕ СВЕРХТОНКИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ФОСФИДЕ FEP Физика

Текст научной статьи на тему «АНИЗОТРОПНЫЕ МАГНИТНЫЕ СВЕРХТОНКИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ФОСФИДЕ FEP»

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 8, с. 1105-1110

УДК 543.429.3:537.9

АНИЗОТРОПНЫЕ МАГНИТНЫЕ СВЕРХТОНКИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ФОСФИДЕ FeP

© 2015 г. И. А. Пресняков, А. В. Соболев, И. О. Чернявский, Д. А. Панкратов, И. В. Морозов

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова E-mail: ipresniakov@rambler.ru

В настоящей работе представлены результаты мёссбауэровского исследования ядер 57Fe в бинарном фосфиде FeP, обладающем необычной магнитной структурой. Модельная расшифровка мёссбауэ-ровских спектров проводится с учетом особенностей кристаллической структуры этого соединения, а также с привлечением данных о его спин-модулированном магнитном упорядочении. Предложенное модельное разложение спектров позволило описать с единых позиций мёссбауэровские данные, полученные в широком диапазоне температур, включая точку магнитного фазового перехода. В работе предложены возможные объяснения низкого значения и пространственной анизотропии сверхтонкого магнитного поля Hf на ядрах 57Fe.

DOI: 10.7868/S0367676515080256

ВВЕДЕНИЕ

Интерес к исследованию, на первый взгляд, простого фосфида БеР во многом связан с его необычной геликоидальной магнитной структурой, детали строения, а также механизмы образования которой до сих пор являются предметом дискуссий. В работе [1] предложены два варианта упорядочения магнитных моментов катионов железа, в первом из которых предполагается один тип кристаллографических позиций Бе3+; второй же вариант требует введения двух неэквивалентных позиций атомов Бе1 и Бе2 с разными значениями магнитных моментов (ц1 = 0.37 и ц2 = 0.46 [1]). Следует, однако, отметить, что данные дифракции нейтронов не позволяют сделать однозначный выбор между двумя моделями магнитного упорядочения.

Мёссбауэровская спектроскопия ядер 57Бе неоднократно применялась для исследования фосфида БеР [2, 3]. В частности, было надежно установлено, что в парамагнитной области температур (Т > Ту = 120 К) все катионы железа занимают в структуре БеР эквивалентные кристаллографические позиции. Однако расшифровка и самосогласованный анализ сложной магнитной сверхтонкой структуры спектров (Т < Ту) вызвали серьезные трудности [3] и до настоящего времени оставляют много вопросов. Недавно были опубликованы новые данные детального мёссбауэров-ского исследования изоструктурного арсенида БеЛя [4]. Авторами впервые была предложена оригинальная модель расшифровки мёссбауэров-ских спектров, учитывающая геликоидальную

магнитную структуру БеЛя (Т < Ту = 70 К [5]), которая во многом схожа с магнитным упорядочением БеР [1]. Следует, однако, признать, что, несмотря на хорошее описание совокупности спектров, измеренных в широком диапазоне температур (Т < Ту), предложенная в работе [5] модель не лишена, на наш взгляд, серьезных внутренних противоречий. В частности, одним из главных выводов, сделанных на основании модельной расшифровки мёссбауэровских спектров БеЛя, было существование двух неэквивалентных позиций катионов железа, что находится в явном противоречии с данными структурных методов анализа [5]. Кроме того, авторами цитируемых работ никак не комментируется довольно необычный профиль пространственной анизотропии магнитных моментов атомов Бе1 и Бе2, что также нуждается в независимом экспериментальном подтверждении и физическом обосновании механизмов возникновения.

В настоящей работе представлены результаты мёссбауэровского исследования БеР в широком диапазоне температур, включающем точку магнитного фазового перехода (Ту). Модельная расшифровка мёссбауэровских спектров проводится с учетом особенностей кристаллической структуры рассматриваемого фосфида, а также с привлечением данных о его спин-модулированном геликоидальном магнитном упорядочении.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Синтез образцов БеР проводился путем отжига при 600 К в ампуле без доступа воздуха прекурсоров Бе и Р(бел) в течение 12 ч. На конечной стадии

Поглощение, %

100

90

80

70

100

95

90

85

80

75

0 б

2

и, мм ■ c

Рис. 1. Мёссбауэровские спектры образца БеР, измеренные при 300 К (а) и 11 К (б) (штриховая линия показывает описание спектра в предположении колли-неарной магнитной структуры, см. текст).

проводилась закалка образцов на воздухе. Рентге-нофазовый анализ полученных продуктов показал наличие единственной фазы БеР с параметрами орторомбической элементарной ячейки (пр. гр. Рпта) а = 5.203(1) А, Ь = 3.108(1) А и с = = 5.802(1) А, практически полностью совпадающими с литературными данными [1].

Мёссбауэровские спектры на ядрах 57Бе измерялись на спектрометре М8-1104Еш, работающем в режиме постоянных ускорений. Обработка

мёссбауэровских спектров была реализована с помощью программы SpectrRelax [6]. Все сдвиги мёссбауэровских спектров приведены относительно a-Fe при комнатной температуре.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Мёссбауэровские спектры ядер 57Бе (рис. 1а), измеренные в интервале температур выше точки магнитного упорядочения БеР (Тм ~ 120 К), представляют собой единственный квадрупольный дублет с узкими (Ж = 0.31(1) мм • с-1) и симметричными линиями, подчеркивая тем самым однотипность кристаллических позиций атомов железа в исследуемом фосфиде. Значение изомерного сдвига 8300К = 0.31(1) мм • с-1 соответствует атомам железа с формальной степенью окисления "+3" [7]. Интересно отметить, что полученное значение 8 соответствует характерным значениям изомерных сдвигов спектров для высокоспиновых катионов Бе3+(^5) в октаэдрическом кислородном окружении [8], где, в отличие от фосфидов, химические связи Бе-О считаются практически полностью ионными. По-видимому, данное совпадение связано с тем, что при электронном переносе Бе ^ Х, обусловленном высокой степенью ковалентности химических связей металл-пниктоген (X = Р, Аз, 8Ъ), происходит увеличение заселенностей 3d- и 4^-орбиталей катионов железа, противоположным образом влияющих на значение изомерного сдвига [7, 8]. Взаимная компенсация этих двух эффектов, возможно, и приводит к тому, что результирующий изомерный сдвиг оказывается "малочувствительным" к особенностям химических связей катионов железа в оксидах и пниктидах. Важно, однако, подчеркнуть, что, в отличие от оксидов железа, где по значению изомерного сдвига можно с большой долей уверенности судить о спиновом состоянии катионов Бе3+ [8], в случае пниктидов такое соотнесение становится менее очевидным.

Высокое квадрупольное расщепление дублета Д300К = 0.66(1) мм • с-1 означает, что на ядрах 57Бе в этих позициях возникают сильные градиенты электрических полей (ГЭП). В случае высокоспиновых ионов Бе3+ со сферически симметричной 3d5 (68) электронной оболочкой основной вклад в ГЭП должен быть связан с искажением их кристаллического окружения. Однако проведенные

нами расчеты компонент тензора {Vр'} решеточного вклада в ГЭП с использованием кристаллографических данных для фосфида БеР [1] показали, что ни при каких физически обоснованных значениях эффективных зарядов железа (£ре) и фосфора (^Р) не удается достичь согласия экспериментального (Д300К) и теоретического (Д'кеог) значений. Таким образом, симметрия кристалли-

а

0

1

ческого окружения катионов Fe3+ в структуре FeP не может вызывать столь высоких значений ГЭП на ядрах 57Fe. Данный результат указывает на необходимость учета электронных вкладов в ГЭП, связанных с различной заселенностью электронами 3^-орбиталей железа [9], а также эффектами перекрывания заполненных 3р-орбиталей Fe3+ и валентных 3^р)-орбиталей фосфора (overlap distortion) [10]. Проведенные нами расчеты Vlat показали, что главная ось ^тензора ГЭП, вдоль которой направлена наибольшая компонента VZZ (| Vzz| > | Vxy| > | VjT|), находится в плоскости (ac) ор-торомбической ячейки FeP, а средняя по величине компонента Vq- лежит вдоль оси b, являющейся осью зеркального отражения кристаллической решетки фосфида. Вариация значений Zpe , Zp приводит лишь к незначительному повороту главных осей Y и Z тензора Vlat в плоскости (ac) решетки FeP.

Понижение температуры измерения спектров вплоть до T ~ TN не выявило каких-либо особенностей в обычно наблюдаемой для ионов Fe3+ слабой монотонной температурной зависимости параметров сверхтонких взаимодействий. При переходе же в область T < TN в спектрах появляется сложная структура (рис. 1б), свидетельствующая об индуцировании на ядрах 57Fe сверхтонких магнитных полей Hf. Поскольку максимальное значение поля Hhf даже при самой низкой температуре измерения не превышает 36 кЭ, а константа квад-рупольного взаимодействия уже при T = 300 K достигает значения eQVZz = 1.32(1) мм • с-1, расшифровка наблюдаемой магнитной сверхтонкой структуры спектров при T < TN требует привлечения полного гамильтониана сверхтонких взаимодействий [6]:

H»Q =

eQVz

ZZ

[3/Z - /2 +Ц(РХ - /2>].

4/(2/ - 1)L - .....■-< (1)

- NHhf [(/Х cos ф + IY sin ф)sin 9 + Iz cos б],

где IX, IY, Iz — операторы проекции углового момента ядра 57Fe (I = 3/2) в его возбужденном состоянии; g — ядерный же-фактор; — ядерный

магнетон Бора. Собственные значения H^q зависят не только от сверхтонких параметров системы (eQVzz, Hf п), но и от угловых переменных — сферических углов (9, ф), определяющих ориентацию сверхтонкого поля Hhf в системе главных осей (X, Y, Z) тензора ГЭП. Для уменьшения числа варьируемых параметров гамильтониана (1) мы воспользовались приближением \eQVZZ,~ « 2А300 K, считая, что в области температур T ~ TN

отсутствуют какие-либо структурные фазовые переходы, которые могли бы в значительной мере повлиять на величину Vили же привести к обра-

0 /. . п\ . \2п \

^ Ф5 \ ei; Ф1

01, Ф1 / e3,

3 Фз

02, ф2 04, Ф4 e6, Фб

V

ryy

<

Hb > Ha Г c

N

Рис. 2. Схематическое изображение фрагмента геликоидальной магнитной структуры фосфида БеР и расположение главных осей тензора ГЭП на ядрах 57Бе относительно осей (а, Ь и с) орторомбической ячейки.

зованию в решетке БеР нескольких кристаллографических позиций железа. Однако, несмотря на большое число независимо варьируемых сверхтонких (8, ИЬр п) и угловых (9, ф) параметров,

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»