ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2013, том 77, № 3, с. 390-392
УДК 537.226;535.343.2
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГАДОЛИНИЙЗАМЕЩЕННОГО ФЕРРИТА ВИСМУТА
© 2013 г. А. Ф. Ревинский1, И. И. Макоед2, К. И. Янушкевич3, А. И. Галяс3, О. Ф. Демиденко3, В. В. Лозенко4, В. В. Мощалков4
E-mail: makoed@brsu.brest.by
Поликристаллические образцы системы GdxBij _ xFeO3 синтезированы по стандартной керамической технологии. Исследованы температурные и частотные зависимости компонент диэлектрической проницаемости в диапазоне радио- и сверхвысоких частот. Изучены особенности поведения спектров коэффициента отражения, а также спектров компонент диэлектрических и оптических функций в областях решеточных и электронных резонансов.
DOI: 10.7868/S0367676513030320
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время проявляется значительный интерес к исследованию физических свойств мультиферроиков — соединений с сильным межэлектронным корреляционным взаимодействием, которое обусловливает наличие в указанных соединениях сосуществования магнитного и электрического упорядочений. Среди подобных веществ наиболее известен перовскит BiFe03, который является сегнетоэлектриком (ТС = 820— 850°С) [1, 2] и антиферромагнетиком (TN = 370— 380°С) [1, 3]. При температурах, меньших точки Нееля, феррит висмута обладает сложной пространственно модулированной магнитной структурой циклоидного типа. В ней спиновая система сохраняет в ближайшем окружении антиферромагнитный порядок G-типа, но изменяется вдоль направления распространения циклоиды с периодом, несоразмерным периоду кристаллической решетки. Допирование данного соединения редкоземельными ионами приводит к существенному изменению диэлектрических и магнитных свойств. Частичная замена катионов Bi3+ ионами гадолиния в ВiFeO3 приводит к возникновению как сегнетоэлектрических свойств, так и намагничивания [4].
Цель настоящей работы — экспериментальное исследование диэлектрических и оптических свойств мультиферроиков, синтезированных на основе феррита висмута, допированного катионами гадолиния.
1 Технический университет Белостока, Poland.
2 Брестский государственный университет имени А.С. Пушкина, Беларусь.
3 Научно-производственный центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению.
4 Institute for Nanoscale Physics and Chemistry, K.U. Leuven, Belgium.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Образцы изготавливали по керамической технологии. Синтез осуществляли по реакции xGd2O3 +
+ (l- x)BÎ2O3 + Fe2O3 = 2Gd3+Bi3+xFe3+O^ . Исходные порошки Bi2O3 (о.с.ч.), Gd2O3 (о.с.ч.) и Fe2O3 (ч.д.а.), смешивали вручную. Перемешивание проводили в течение 0.5 ч в сухой керамической ступке и 2 ч в ступке со спиртом. Спекание проводили при температуре 1020 ± 50 К в керамическом сосуде на воздухе в течение 3 ч. Образцы загружали в холодную печь. Скорость нагрева составляла около 10 К/мин. Замещение ионами Gd3+ ионов висмута в BiFe03 вызвало структурное изменение и способствовало получению однофазных мультиферроиков.
Компоненты комплексной диэлектрической проницаемости были исследованы в частотном диапазоне 20 Гц—1 МГц, в интервале температур от 25 до 225°С на LCR-метре "Hewlett Packard 4285А". Измерения абсолютной величины коэффициента отражения в диапазонах от 400 до 1000 см-1 и от 10000 до 25000 см-1 выполнены на фурье-спектрометре ("FTIR spectrometer Vertex 80V Bruker Corporation"). Оптическая схема спектрометра реализована на базе интерферометра Майкельсона.
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОБРАЗЦОВ
На рис. 1 представлены температурные зависимости компонент диэлектрической проницаемости феррита висмута. Полыми кружками и треугольниками обозначены температурные зависимости действительной компоненты диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь соответственно в режиме
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ФЕРРИТА ВИСМУТА
391
нагрева. Сплошными кружками и треугольниками обозначены те же характеристики в режиме охлаждения. Величина действительной компоненты диэлектрической проницаемости образцов монотонно уменьшается с ростом частоты. Аномалия в поведении температурной зависимости диэлектрической постоянной и тангенса диэлектрических потерь для 10%-ной концентрации ионов Оё3+, вблизи температуры 200°С, может быть обусловлена магнитным переходом и/или магнитоэлектрическим взаимодействием.
На полученной в инфракрасной области спектральной зависимости коэффициента отражения системы ОёхВ11 _ хРеО3 выражены решеточные ре-зонансы, характеризующие колебательные свойства кристаллической решетки. Введение в состав феррита висмута замещающих ионов Оё3+ способствует резкому возрастанию абсолютных величин коэффициента отражения.
Анализ спектров коэффициента отражения, мнимой и действительной компонент диэлектрической функции показывает, что изменение положения и величины резонансных пиков зависит от типа и концентрации допирующих ионов. В частности, при замещении пик в спектрах коэффициента отражения при 570 см-1 смещается в сторону сверхвысоких частот (СВЧ). Как видно на рис. 2, величина коэффициента отражения возрастает при увеличении концентрации ионов Оё3+ при х < 0.15. При х = 0.2 значение абсолютной величины коэффициента отражения уменьшается. Это может быть вызвано изменением кристаллической структуры.
При легировании феррита висмута одновременно ионами Ьа3+ и Оё3+ абсолютная величина и положение максимумов коэффициента отражения зависят от концентрации и типа допирующих ионов. Как видно на рис. 3, при преобладании катионов Оё3+ положения резонансных частот смещены в сторону СВЧ и значение коэффициента отражения в высокоэнергетическом пределе возрастает. Если же преобладают атомы Ьа, то резонансное частоты смещены в сторону УФ-области и величина коэффициента отражения убывает.
По методу Крамерса-Кронига [5] восстановлены спектры компонент диэлектрической проницаемости. В условиях, когда частота внешнего излучения попадает в область между частотами продольных юш = 2яvL0с и поперечных юто = = 2яvx0с (с — скорость света в вакууме) оптических фононов, где б1 (действительная часть диэлектрической проницаемости) является отрицательной величиной, падающая на кристалл волна с такой частотой испытывает значительное отражение (область "металлического отражения") (рис. 4).
На спектре коэффициента отражения в области фундаментального поглощения слабо выра-
Б1
Че 5. £
айй,--------
_|_I_I_I_I_I_I_I_I_I
60
50
40.^ 1.5 1.0 0.5
0
0 50 100 150 200 250
Т, К
Рис. 1. Температурные зависимости действительной компоненты диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь О^ 9реОз.
Я
0.7
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
400 500 600
\5 1 — BiFe03
" \ 2 — Оd0.05Bi0.95FeO3
\4\ 3 — Оdo.loBio.9oFe0з
-\ \ 4 — Оdo.l5Bio.85Fe0з
/~ч\ 5 — Оdo.2oBio.8oFe0з
\3 \ V/,
- /"Л
' 1
700
800 V, см-1
Рис. 2. Спектры коэффициента отражения О^В^ _ хРеОз в области решеточных резонансов.
Я
0.7
1 — В1Бе03
2 — La0.10Gd0.10Bi0.__
3 — Ьа0.05О^.15В%80ре03
4 — Lao.l5Оdo.o5Bio.8oFe0з
400
500
600
700
800 V, см—1
Рис. 3. Спектр действительной части диэлектрической функции (La,Gd)BiFeОз в области решеточных резонансов.
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 77 № 3 2013
392
РЕВИНСКИЙ и др.
Рис. 4. Спектры действительной части диэлектрической проницаемости О^Б^ _ хРеОз в области решеточных резонансов.
R
v, см-1
Рис. 5. Спектры коэффициента отражения GdxBil _ xFeÜ3 в области электронных резонансов.
жены два широких максимума (рис. 5). Ряд менее четко выраженных особенностей спектра подтверждает предположение о доминирующей роли переходов с переносом заряда О2- — Бе3+ в формировании оптических свойств ферритов в области края фундаментального поглощения [6, 7].
В отличие от ИК-области величина коэффициента отражения в УФ-области при введении ионов гадолиния в состав феррита висмута в низкоэнергетическом пределе уменьшается.
На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы.
1. Разработана методика и синтезированы объемные керамические образцы системы О^Б^ — хБеО3 (х = 0.05, 0.10, 0.15, 0.20).
2. Экспериментально исследованы температурные и частотные зависимости компонент диэлектрической проницаемости образцов в диапазоне радио- и сверхвысоких частот. Спектры компонент диэлектрической проницаемости обнаруживают поведение, характерное для высокоомных диэлектриков с преимущественно ионным типом химической связи.
3. Экспериментально исследованы спектры коэффициента отражения образцов. По методу Крамерса—Кронига из полученных спектров восстановлены диэлектрические функции. Исследована корреляция энергетического положения и интенсивности пиков в спектрах с концентрацией и типом допирующих ионов в областях решеточных и электронных резонансов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Звездин А.К., Пятаков А.П. // УФН. 2004. Т. 174. № 4. С. 465.
2. Karimi S., Reaney I.M., Han Y. et al. // J. Mater Sci. 2009. V. 44. P. 5102. 3. Fiebig M. // J. Phys. D. 2005. V.38. R1-R3.
4. Wang J., Zheng H., Nagarajan J. // Science. 2003. V. 299. № 5613. P. 1719.
5. Дорожкин H.H., Леонтьев A.B. // Рук. деп в ВИНИТИ 12.12.85. № 189-В86.22 С. / РЖ: 4(А-Д, Л); Физика. 1986. № 4. 4Л356ДП. С. 46.
6. Москвин A.C., Зенков A.B. // ФТТ. 2002. Т. 44. № 10. С. 1811.
7. Moskvin A.S., Pisarev R..V. // FNT. 2010. V. 36. № 6. P. 613.
Сдано в набор 28.11.2012 г. Подписано к печати 19.02.2013 г. Дата выхода в свет 27 еж. Формат бумаги 60 х 881Д Цифровая печать Усл. печ. л. 17.0 Усл. кр.-отт. 2.5 тыс. Уч.-изд. л. 17.0 Бум. л. 8.5
Тираж 143 экз. Зак. 1029 Цена свободная
Учредители: Российская академия наук, Институт прикладной физики РАН
Издатель: Российская академия наук. Издательство "Наука", 117997 Москва, Профсоюзная ул., 90 Оригинал-макет подготовлен МАИК "Наука/Интерпериодика" Отпечатано в ППП "Типография "Наука", 121099 Москва, Шубинский пер., 6
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.