Письма в ЖЭТФ, том 101, вып. 7, с. 542-549
© 2015 г. 10 апреля
Магнитные и магнитоэлектрические свойства замещенных гексаферритов М-типа ТЗс^Ее^-жОхэ (Т = Ва, Эг)
А. М. Балбашов, В. Ю. Иванов+, А. А. Мухин+1\ Л. Д. Исхакова*, Ю. Ф. Поповх, Г. П. Воробьевх,
М. Е. Ворончихина Московский энергетический институт, 105835 Москва, Россия
+ Институт общей физики им. Прохорова РАН, 119991 Москва, Россия * Научный центр волоконной оптики РАН, 119333 Москва, Россия х МГУ им. Ломоносова, 119991 Москва, Россия
Поступила в редакцию 28 января 2015 г.
После переработки 4 марта 2015 г.
Выращены монокристаллы замещенных гексаферритов М-типа системы ВаЯс^Рехг-^Оы и системы Ягвс^Рехг-^Оы (ж = 1.3—1.7). Изучены их анизотропные магнитные и магнитоэлектрические свойства при температурах 2-360 К и магнитных полях до 200 кЭ. Во всех исследованных составах при понижении температуры обнаружен спонтанный переход из коллинеарной ферримагнитной одноосной фазы в конусную структуру, температура которого с повышением концентрации Яс растет вплоть до комнатной. В магнитных полях, приложенных как параллельно, так и перпендикулярно оси с, имеют место подавление конусной фазы и переход в коллинеарную ферримагнитную структуру. Построены Н—Г-фазовые диаграммы. В конусных магнитных структурах обнаружена индуцированная магнитным полем электрическая поляризация (более 40мкКл/м2 при 4К), геометрия наблюдения которой соответствует механизму обратного взаимодействия Дзялошинского-Мория (спинового тока). Обнаружена более высокая стабильность полярного состояния по отношению к магнитным полям (более 50 кЭ) и температурам (до 100 К) по сравнению с предыдущими исследованиями Ва-системы. Продемонстрированы возможности контроля хиральности конусной структуры, определяющей знак поляризации, что важно с практической точки зрения.
БО!: 10.7868/80370274X15070139
1. Введение. В последние годы повышенное внимание вызывают мультиферроики нового типа, в которых электрическая поляризация индуцируется при образовании неколлинеарных (нецентросимметрич-ных) магнитных структур, а магнитоэлектрические эффекты сильнее, чем в традиционных мультифер-роиках с собственным типом сегнетоэлектрическо-го упорядочения [1-4]. Особый интерес среди них представляют гексаферриты, поскольку электрическая поляризация и магнитоэлектрические эффекты в них наблюдаются при более высоких, чем у большинства мультиферроиков, температурах вплоть до комнатных [5-9]. Гексаферриты обладают довольно сложными кристаллическими структурами, содержащими большое число магнитных ионов, которые можно представить в виде той или иной комбинации шпинельных и гексагональных блоков, чередующихся вдоль гексагональной оси с [10]. Су-
Че-таП: mukhin@ran.gpi.ru
ществует несколько типов структур гексаферритов: М, У, X, Z, \¥, и и т.д. Простейшим из них является М-тип, описываемый формулой ТЕехгОхэ, где Т - двухвалентный элемент. Исходные гексаферриты М-типа (Т = Ва, Бг, РЬ) являются одноосными ферримагнетиками с намагниченностью при низких температурах ~ 20 /лв на формульную единицу, которые обладают довольно высокой температурой магнитного упорядочения (^400°С) и достаточно большой магнитной анизотропией при комнатной температуре, что обеспечило им очень широкое применение при создании постоянных магнитов и в радиотехнике. С целью изменения магнитных характеристик было синтезировано большое количество гексаферритов с теми или иными замещениями базисных элементов. С точки зрения существования магнитоэлектрических эффектов интерес представляют замещения, приводящие к конкуренции обменных взаимодействий и возникновению конусных магнитных структур, поскольку именно для таких структур бы-
ли обнаружены электрическая поляризация и магнитоэлектрические эффекты в гексаферритах Y- и Z-типов [5-9]. Что касается гексаферритов М-типа, то в них конусные магнитные структуры были найдены сравнительно давно в замещенных составах BaSc.Feií-.Oig [11] и BaTi^Co^Feia-axOig [12,13]. Однако электрическая поляризация, индуцированная магнитным полем, наблюдалась только недавно для BaSci.6Mgj,Feio.4-j/Oi9 [14] (небольшое количество магния, у ~ 0.05, вводилось для повышения электросопротивления).
Цель данной работы состояла в поиске новых составов гексаферритов М-типа, обладающих магнитоэлектрическими свойствами, выращивании монокристаллов и детальном исследовании их структурных и физических (магнитных, магнитоэлектрических) свойств.
2. Методика эксперимента. Монокристаллы замещенных скандием гексаферритов BaScaMgyFe^-z-yOig (ж = 1.3-1.7) и SrSc^MgyFeia-^-yOis (х = 1.4—1.7) выращивались методом бестигельной зонной плавки с радиационным (световым) нагревом на установках зонной плавки УРН-2-ЗП [15] в кислороде под давлением до 60 атм. Технологические особенности выращивания гексаферритов подробно изложены в работе [16]. По аналогии с работой [14] для увеличения электросопротивления кристаллов мы вводили у ~ 0.05 ат. % магния.
Диагностика образцов производилась с помощью дифракционных методов (рентгенофазовый анализ и метод Лауэ) и электронной микроскопии. Определение химического состава кристаллов было проведено методом рентгеновского энергодисперсионного анализа с использованием сканирующего электронного микроскопа JSM 5910-LV (JEOL) с аналитической системой AZtecENERGY (Oxford Instruments). Следует отметить, что содержание магния в исследуемых кристаллах было ниже предела определения этого элемента. Поэтому экспериментально определенные составы приводятся нами без учета его содержания. Чтобы выявить возможность фазового расслоения в кристаллах с образованием, помимо М-ферритов, фаз других составов, анализ поперечных сечений кристаллов проводился в режиме отраженных электронов в Z-контрасте. Рентгенографическое исследование образцов выполнялось на рентгеновском дифрактометре D2 PHASER (BRUKER) на линии излучения СиКа. Обработка полученных рентгенограмм и фазовый анализ образцов были проведены по комплексу программ EVA. Для уточнения параметров элементарных яче-
ек соединений использовался программный комплекс TOPAS 4.2.
Магнитные свойства исследовались как в статических магнитных полях (на вибрационном магнитометре до 14 кЭ в температурном интервале 4.2-360 К и на СКВИД-магнитометре (Quantum Design) до 5 Т при температурах от 2 до 400 К), так и в импульсных полях до 200 кЭ при температурах от 4.2 до 300 К. Электрическая поляризация измерялась на дисках или пластинках, вырезанных перпендикулярно оси роста кристаллов (ось с при этом лежала в плоскости образцов), толщиной ~ 1 мм и площадью поперечного сечения от 10 до 30 мм2 посредством прямого измерения заряда либо интегрирования пиротока при изменении магнитного поля в электромагните или сверхпроводящем соленоиде СКВИД-магнитометра. На плоскопараллельные поверхности образцов наносилась серебряная паста. Кристалл предварительно поляризовался путем охлаждения в магнитном поле 2кЭ от комнатной до гелиевых температур при электрическом напряжении ^50—200 В (Е ~ ~ (1— 2)кВ/см), приложенном в направлении, перпендикулярном оси с и магнитному полю. При измерении в электромагните магнитное поле, будучи перпендикулярным направлению измерения, могло вращаться в плоскости, проходящей через ось с.
3. Состав и микроструктура кристаллов. Параметры элементарной ячейки (пространственная группа Рбз/mmc) и состав некоторых образцов приведены в таблице. Катионные составы образцов с точностью до ±0.05 соответствовали их стехиометрии по загрузке. Было установлено, что монокристаллы хорошего качества могут быть выращены при давлении кислорода ро2 > 30 атм. Так, в случае стронций-скандиевых ферритов в кристалле SrSc1.5Fe10.5O19, выращенном при ро2 = 15 атм., помимо М-феррита, была найдена примесная фаза состава Fe1.54Sco.46O3. Ее рефлексы удалось про-индицировать в гексагональной ячейке с параметрами элементарной ячейки a = 5.104(5) А, с = = 13.86(5) А (пространственная группа R3c). Таким образом, примесная фаза является твердым раствором Ге2-ж8сжОз со структурой гематита ГегОз. В барий-скандиевом феррите, выращенном на воздухе, наблюдалось микроструктурное расслоение с образованием областей М-гексаферритов с разным содержанием скандия и фазы состава BaFe204.
Монокристаллы, выращенные в оптимальных условиях, либо являлись однофазными, либо содержали на своих периферийных участках незначительное (менее 1-2 %) количество примесей фаз другого состава. Именно такие кристаллы исполь-
О 20 40 0 20 40 0 20 40
Н (кОе)
Рис. 1. Кривые намагничивания монокристаллов ВаЗсгМ^о.сшРеп.дб-гОы параллельно и перпендикулярно оси с при гелиевых и комнатной температурах. На вставках - температурные зависимости намагниченности, измеренные в поле 10 кЭ. Стрелкой на зависимости <т(Н) для х = 1.7 отмечен индуцированный полем переход из конусной в коллине-арную ферримагнитную структуру, а стрелками на зависимостях <т(Т) - максимумы, соответствующие спонтанным переходам между конусной и коллинеарной ферримагнитной структурами
зовались для магнитных и магнитоэлектрических ис с ле дов аний.
Состав кристаллов и их рентгенометрические характеристики
Состав кристалла Параметры элементарной ячейки
а., А с, А v, А3
SrSc1.4Fe10.6O19 5.898(1) 23.01(1) 528.3
SrSc1.7Fe10.3O19 5.925(1) 23.42 (1) 542.6
Ba.Sc1.3Fe10.7O19 5.9247(4) 23.523(3) 544.9
BaSci.BFeio.BOig 5.9268(1) 23.548(2) 545.9
Ba.Sc1.7Fe10.3O19 5.9377(8) 23.64(1) 550.1
4. Магнитные свойства. На рис. 1 приведены кривые намагничивания сг(Н) кристаллов системы Ва8сжЕе12-ж019 (х = 1.3, 1.5 и 1.7), измеренные при гелиевых и комнатных температурах параллельно и перпендикулярно оси с. Они свидетельствуют об анизотропном характере намагничивания. При этом
при малых х кристаллы являются легкоосными. С ростом х анизотропия уменьшается. При х = 1.7 кристалл становится близким к изотропному. Аналогичным поведением обладают и кристаллы системы SrSc^Fej^-i-Oig. Обращает на себя внимание возрастание наклона кривых намагничивания как параллельно, так и перпендикулярно оси с при низких температурах, что свидетельствует о возникновении конусной структуры, обладающей дополнитель
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.