ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 6, с. 26-30
УДК 538.955
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭВОЛЮЦИИ МАГНИТНОЙ СТРУКТУРЫ МУЛЬТИФЕРРОИКОВ ТЬХ- хСехМп205 (х = 0, 0.2) МЕТОДАМИ ДИФРАКЦИИ ПОЛЯРИЗОВАННЫХ НЕЙТРОНОВ © 2015 г. И. А. Зобкало1, 2 *, С. В. Гаврилов1, Е. К. Димакова1, 2, Е. И. Головенчиц3, В. А. Санина3
НИЦ "Курчатовский институт", Петербургский институт ядерной физики, 188300Гатчина, Россия 2Санкт-Петербургский государственный университет,199034 Санкт-Петербург, Россия 3Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, 194021 Санкт-Петербург, Россия
*Е-таИ: zobkalo@pnpi.spb.ru Поступила в редакцию 17.06.2014 г.
Проведены исследования эволюции магнитной структуры мультиферроиков ТЬМп205 и ТЬ08Се02Мп205 методами дифракции поляризованных нейтронов. Показано, что во всех магнито-упорядоченных фазах существует неравновесная заселенность доменов с "правыми" и "левыми" спиралями. Показано, что в ТЬ08Се02Мп205 во всех магнитных фазах, а в ТЬМп205 — в низкотемпературных магнитных фазах, несоразмерной и соразмерной — ориентация плоскости вращения магнитных моментов остается одинаковой и составляет угол ~10° с плоскостью аЬ кристалла. При переходе в высокотемпературную несоразмерную фазу в ТЬМп205 происходит ориентационный переход.
Ключевые слова: мультиферроики, рассеяние поляризованных нейтронов. БО1: 10.7868/80207352815060232
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время интерес к соединениям, в которых электрическая поляризация возникает вследствие магнитного упорядочения — "несобственным" мультиферроикам (или мультиферро-икам II типа), многократно возрос в связи с их необычными магнитоэлектрическими свойствами. Особое внимание уделяется семейству редкоземельных манганатов ЯМп205 (Я — редкоземельный элемент), где обнаруживается сильная связь между магнитной подсистемой и электрической поляризацией. Температурная эволюция магнитной структуры в мультиферроидных манганатах ЯМп205 весьма необычна, что в сочетании с многообразными магнитоэлектрическими явлениями делает эти соединения чрезвычайно привлекательными как с точки зрения изучения фундаментальных явлений при взаимодействии разных параметров порядка, так и с точки зрения их потенциального использования в различных областях спинтроники.
Последовательность смены магнитных фаз в ТЬМп205 имеет характерные для всех мультиферроиков ЯМп205 особенности [1] и выглядит следующим образом: при Тм ~ 42 К происходит упорядочение в высокотемпературную несоразмерную магнитную структуру (ИТГС8) с вектором к = [~0.490, 0, ~0.27]; при Т ~ 37 К - переход в соразмерную структуру (С8) с к = [0.5, 0, 0.25]; при Т ~ 26 К — переход вновь в несоразмерную
структуру (ШС8) с вектором к = [~0.488, 0, ~0.312]. Все эти переходы первого рода, характерная особенность которых — сосуществование двух фаз в некотором интервале температур. Однако температурный интервал, в котором сосуществуют две фазы, сдвигается по температуре в зависимости от того, в каком режиме производились измерения — в режиме охлаждения или нагрева. Ширина этого температурного интервала также зависит от того, в каком режиме: нагрева или охлаждения, были выполнены измерения [2]. В отличие от ТЬМп205, в ТЬ08Се02Мп205 наблюдаются две магнитные фазы, сосуществующие друг с другом. В допированном соединении в широком температурном диапазоне сосуществуют две магнитные фазы. Одна из них возникает при более высокой температуре (39 К) с к1 = (0.5, 0, к^), будучи поначалу (ниже 39 К) соразмерной (к^ = 0.25), при 15 К становится несоразмерной, вторая (к2 = (0.5 0 кй)) — несоразмерная, возникает при температуре 21 К. Область сосуществования фаз в ТЬ0.8Се0.2Мп205 значительно шире, чем в ТЬМп205, обуславливая более широкий по температуре гистерезис. Компоненты кг1 и к2 векторов магнитной структуры ТЬ0.8Се0.2Мп205 претерпевают изменения при снижении температуры, при повышении температуры эти компоненты кг1 и ка возвращаются к первоначальным значениям, однако эти обратные изменения происходят при более высоких температурах, чем при охлаждении [2]. Спонтан-
Рис. 1. Кристаллическая структура КМ^О5: показаны проекции на плоскость аЬ (а) и ас (б). Магнитные взаимодействия между атомами Мп обозначены как I. Мп1 = Мп4+, Мп2 = Мп3+.
ная электрическая поляризация в этих соединениях возникает сразу же после перехода в магни-тоупорядоченное состояние, однако при соразмерной магнитной структуре величина поляризации намного выше.
Кристаллическая структура КМп2О5 описывается ромбической пространственной группой РЬат (X = 4) [3]. Ионы Мп3+ и Мп4+ занимают неэквивалентные позиции 4к для Мп3+ е1) и 4/для
Мп4+ ^е0)- Рассматривая возможные пути обменного взаимодействия между ближайшими спинами марганца, можно выделить пять вариантов обменного взаимодействия (рис. 1) с близкими по величине энергиями.
Для объяснения механизма происхождения магнитоэлектрического взаимодействия в муль-тиферроиках рассматриваются различные модели, основанные, главным образом, на двух механизмах магнитоэлектрических взаимодействий, которые происходят от двух типов обменного взаимодействия: симметричного гейзенберговского обмена, описываемого скалярным произведением спинов взаимодействующих ионов 81 • 82 [1] и антисимметричного обмена Дзялошинского— Мория, описываемого векторным произведением [81 х 82], связанного со спин-орбитальным взаимодействием и имеющего релятивистскую природу [4, 5].
В то время как для манганитов-мультиферрои-ков КМпО3 механизм взаимодействия магнитного и сегнетоэлектрического порядков хорошо описывается с помощью модели "обратного" эффекта Дзялошинского—Мория [4, 5], для КМп2О5
подобное описание испытывает ряд затруднений. Так, оценки, сделанные в работе [1], показывают, что симметричное обменное взаимодействие в КМп2О5 в соразмерной магнитной фазе имеет величину намного больше, чем антисимметричное взаимодействие Дзялошинского—Мория. Именно в соразмерной магнитной фазе в КМп2О5 электрическая поляризация достигает максимальной величины [6]. В то же время в работах [7, 8] показано, что взаимодействие вида [81 х 82] эффективно во всех магнитных фазах в УМп2О5, на основании чего можно предположить, что в КМп2О5 электрическая поляризация может возникать в результате действия обоих механизмов. При этом преобладающий вклад в поляризацию того или иного вида магнитного взаимодействия зависит от того, в какой из магнитоупорядочен-ных фаз находится соединение.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Монокристаллы ТЬМп2О5, ТЬ08Се02Мп2О5 были выращены методом спонтанной кристаллизации по технологии [9]. Образцы ТЬ08Се02Мп2О5 имели форму "таблетки" с примерными размерами 3 х 3 х 1 мм, их состав был установлен рентге-нофлуоресцентным анализом. Кристаллическая структура образцов была определена методом нейтронного рассеяния. Как и все соединения КМп2О5, она описывается пр. гр. РЬат, параметры ячейки: а = 7.357(4) А, Ь = 8.540(5) А, с = = 5.683(4) А, что не слишком отличается от параметров ячейки для ТЬМп2О5. Кристаллы ТЬМп2О5 имели размеры ~4 х 4 х 4 мм.
28
ЗОБКАЛО и др.
(а)
2000
1500
н о
6 1000
500 0
2000 1500
б 1000
500
2000
Й 1500
1000
0.49 0 1-kz T= 1.5 K
88в»8»в'
'»•8.8
0.66
0.68
0.5 0 0.75 T = 30 K
0.70 I, rlu
(б) (\
0.72
0.74
0.72
0.74
0.76 I, rlu (в)
0.78
0.80
0.488 0 1-kz T = 38 K
МИ
0.68 0.70
0.72 0.74
I, rlu
0.76 0.78
Рис. 2. Результаты сканирования магнитного сателлита в ТЬМп205 при двух направлениях вектора поляризации Р — вдоль и против вектора рассеяния q.
Эксперименты по нейтронному рассеянию проводились на спектрометре поляризованных нейтронов на реакторе ВВР-М (ФГБУ "ПИЯФ", Гатчина) в обратной геометрии рассеяния [10]. В этой методике монохроматизация нейтронного пучка выполняется после рассеянии нейтронов из образца. Падающий на образец пучок поляризованных нейтронов формируется нейтроново-дом, изготовленным на базе высокоэффективных Fe—Co суперзеркал.
Измерения проводились в двух режимах: с анализом поляризации рассеянных нейтронов и без анализа поляризации. В последнем случае измерялась поляризационная зависимость интегральных интенсивностей, при этом вектор поляризации падающих нейтронов был ориентирован вдоль или против вектора рассеяния. Для нейтронной монохроматизации использовался моно-хроматор на основе PG, длина волны нейтронов была 2.08 А. Для экспериментов с применением ^TZ-поляризационного анализа использовался кристалл Гейслера CuMn2Al в качестве анализатора поляризации и монохроматора одновременно, при этом длина волны нейтронов составляла 2.14 А. Образец был помещен в "оранжевый" криостат ILL, и измерения проводились в режиме "отогрева" после охлаждения образца до минимально возможной температуры 1.5 K.
РАССЕЯНИЕ ПОЛЯРИЗОВАННЫХ НЕЙТРОНОВ
Интенсивность рассеяния поляризованных нейтронов на спиральных структурах в сателлит с волновым вектором k определяется формулой [11]
/(k) ~ F2(q)[1 + (em)2 ± 2(em) х (1)
х (еР)(щ - щ)S(q - т ± k)],
где q — вектор рассеяния, e = q/|q|, P — вектор поляризации нейтронов, m — вектор плоскости спирали — m = [m1 х m2], m1, m2 — единичные магнитные векторы в плоскости спирали, nr — количество "правых" спиралей, nl = 1 — nr — количество "левых" спиралей. Таким образом, измеряя зависимость интенсивности магнитных сателлитов от направления вектора поляризации нейтронов, можно сделать выводы о заселенности доменов с различной киральностью.
В экспериментах измерялась зависимость интегральной интенсивности нескольких магнитных сателлитов от поляризации при различных температурах: 1.5, 30, 38 K для TbMn2O5, 1.5 и 30 K для Tb08Ce02Mn2O5, что соответствует различным магнитоупорядоченным фазам в этих соединениях [2]. Вектор поляризации P был ориентирован вдоль или против рассеяния вектора q. При всех температурах измерений наблюдалась разница в интенсивностях, измеренных при направлении поляризации вдоль вектора рассеяния q и против него, причем для каждого конкретного сателлита эта разница оставалась постоянной, независимо от температуры измерений. Результаты таких сканирований для "чистого" соединения TbMn2O5 представлены на рис. 2. Такая же ситуация наблюдалась и
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.