МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТОУПРУГИЕ СВОЙСТВА ЛЕГКОПЛОСКОСТНЫХ ФЕРРОБОРАТОВ С МАЛЫМ ИОННЫМ РАДИУСОМ
A. М. Кадомцеваа, Г. П. Воробьев11, Ю. Ф. Попова, А. П. Пятакова Ь* А. А. Мухинь,
B. Ю. Ивановъ, А. К. Звездинь, И. А. Гудим0, В. Л. Темеров0, Л. Н. Безматерних0
" Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова 119992, Москва, Россия
ъИнститут общей физики им.. А. М. Прохорова Российской академии наук 119991, Москва, Россия
'"Институт физики им. Л. В. Киренского Сибирского отделения. Российской академии наук
660036, Красноярск, Россия.
Поступила в редакцию 26 июля 2011 1".
Проведено комплексное исследование магнитных, магнитоэлектрических и магнитоупругих свойств фер-роборатов 11Роз(ВОз).1. Измерение полевых зависимостей магнитоэлектрической поляризации вдоль оси а кристалла для наименее изученного ферробората гольмия, а также для смешанного состава Но0.;-,81110.дРоз(ВОз).1 позволило для легкоплоскостных ферроборатов установить следующие закономерности: а) продольный и поперечный магнитоэлектрические эффекты имеют противоположные знаки; б) в поле, близком к полю обмена между редкоземельными ионами и ионами железа, магнитоиндуцирован-ная поляризация меняет знак. Данные закономерности хорошо согласуются с предсказаниями теории на основе анализа симметрии соединений. Относительно небольшое значение поля /-(¿-обмена в ферробора-те гольмия (примерно 20 кЭ), подмагничивающего редкоземельную подсистему, обусловливает меньшие по величине скачки поляризации (около 30 мкКл/м2), наблюдаемые в полях менее 10 кЭ, по сравнению с теми, которые проявляются в других легкоплоскостных ферроборатах (II = Бш, N(1). Индуцированный в НоРоз(ВОз).1 в магнитных полях более 100 кЭ рост электрической поляризации до 200-300 мкКл/м2 оказался заметно меньше, чем в неодимовом ферроборате, что указывает на существенную зависимость магнитоэлектрических эффектов от электронной структуры редкоземельных ионов.
1. ВВЕДЕНИЕ
Редкоземельные форробораты с общей формулой ШГоз(ВОз)4 как новый класс мультнферронков интенсивно исследуются последние годы [1 10]. Было выявлено влияние основного состояния редкоземельного иона на магнитоэлектрические свойства ферроборатов, в частности, было показано, что наибольшие величины магнитоиндуцированной поляризации должны наблюдаться у ферроборатов, анизотропия которых соответствует типу «легкая плоскость» (форробораты Sin и Nd) [3,11,12]. Представляет интерес расширенно круга возможных механиз-
E-mail: pyatakov'fflphysics.msu.ru
мов, влияющих на величину магнитоэлектрической поляризации, в частности на ее зависимость от величины обменного взаимодействия между подсистемой железа и ионами редкой земли, характеризующегося полем / ii-обмена. С этой цолыо были проведены магнитные, магнитоэлектрические и магнпто-упругие измерения для сравнительно мало изученных легкоплоскостных ферроборатов НоГе3(ВОз)4 и смешанных составов Ноо.б8то.бГоз(ВОз)4, особенностью которых являются наблюдаемые в них разнообразные фазовые переходы: структурные, а также спин-псреориентационные как спонтанные, так и индуцированные внешним магнитным полем.
2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Кристаллы форроборатов HoFe3(B03)4 и Hoo.5Smo.5Fo3(B03)4 были выращены методом спонтанной кристаллизации из растворов в расплавах (подробное см. работу [13]). Естественная огранка кристаллов соответствовала кристаллографическим направлениям, определенным рентгенографическим методом. Магнитные измерения проводились на установке MPMS-5 (Quantum Design). Основные измерения магнитоэлектрических и магнитоупру-гих свойств проводились в импульсных магнитных полях до 250 кЭ в диапазоне температур от 4.2 до 50 К. На перпендикулярные к направлению измеряемой поляризации грани исследуемого образца наносились электроды из эпоксидной смолы с проводящим наполнителем. Измерялась величина электрического напряжения на электродах, пропорциональная электрической поляризации, при изменении величины магнитного поля, которое прикладывалось вдоль различных кристаллографических направлений. Магнитострикция измерялась с помощью приклеенного к образцу пьозодатчика из монокристаллической кварцевой пластинки, реагирующей на деформацию только в одном направлении. Температурные зависимости электрической поляризации в статических магнитных полях до 15 кЭ измерялись пироэлектрическим методом с помощью электрометра В7-45.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
На рис. 1 приведены кривые намагничивания монокристалла HoFe3(B03)4 вдоль осей с и и при низких температурах (около 1.9 К) в относительно слабых магнитных полях. Наблюдается сопровождающееся гистерезисом достаточно резкое (особенно вдоль оси с) возрастание намагниченности, соответствующее индуцированному полем фазовому переходу от логкоосного к легкоплоскостному состоянию (переход типа спин-флоп). Наряду с переходом типа спин-флоп наблюдается и необычный спин-пороорионтационный переход в магнитном поле Н, направленном вдоль оси и (На), с возвратом спинов в плоскость ub при температурах ниже температуры спонтанного пороорионтационного перехода Tsr » 5 К (так называемый возвратный переход [1]). При температурах, больших 5 К, подобных аномалий па кривых намагничивания не наблюдалось.
На рис. 2« показаны температурные зависимости продольной и поперечной электрической поля-
Рис. 1. Кривые намагничивания НоРоз(ВОз)-1 вдоль осей с (кривая 1) и а (кривая 2) при Т = 1.9 К
ризации Р в НоГе3(В03)4, возникающей в малых статических магнитных полях (меньше 10 кЭ), при которых устанавливается однодоменное состояние. Величина магнитоэлектрической поляризации растет при понижении температуры вплоть до точки спин-псрсориснтационного перехода Т = 5 К. Ниже этой температуры магнитоэлектрическая поляризация в малых полях не наблюдается. На рис. 2б приведены температурные зависимости продольной магнитоэлектрической поляризации ДРа, снятые в импульсных полях, для различных легкоплоскостных ферроборатов.
На рис. 3 показаны полевые зависимости продольного (в поле На) н поперечного (в поле Нь) эффектов в ферроборате гольмия. При малых полях видны скачки поляризации ДРа, обусловленные установлением однородной антиферромагнитной структуры с ориентацией спинов перпендикулярно внешнему полю (однодоменное состояние). Ниже температуры Т$ц = 5 К скачок поляризации возникает в значительно больших полях (около 10 кЭ), соответствующих полям возвратного перехода (см. рис. М, а также кривую На на рис. 1), Дальнейшее уменьшение магнитоэлектрической поляризации и обращение ее в нуль в поле порядка 20 кЭ трактовалось в работе [14] как подавление спонтанной сегнетоэлектрнческой поляризации магнитным полем. Однако измерение магнитоэлектрического эффекта в более широком диапазоне полей (см. рис. 3) показывает, что в поле 20 кЭ происходит смена знака электрической поляризации подобно то-
931
9*
Л/!.. мкКл/м"
АРа. мкКл/м" 500
0 10 20 30 40 50
Г, К
Рис.2. Температурные зависимости магнитоиндуцированной поляризации ДР, для а) НоРоз(ВОз)-1 в магнитном поле Н = 8.5 кЭ, направленном вдоль осей а (На) и Ь (Нь)'. (сплошная кривая — теоретическая зависимость, рассчитанная по формуле (3); штриховые линии показывают исчезновение поляризации при температуре ниже Тдд = 5 К); б) легкоплоскостных ферроборатов II = Бш, N(1, Но в поле На = 10 кЭ; на вставке приведены зависимости для
ферроборатов сЕ = Ег. V
ДРа, мкКл/м"
200 а 5'К
100 Н„ 4.2
0
-100 \Ч
-200
-300 5 ^4.2
50 100 150 200
Н, кЭ
АРа. мкКл/м" 50
25
-25
-50
б 4.2 К ь/
- ^---- 4.2 5 -
10
20
Н, кЭ
Рис.3, а) Зависимости электрической поляризации ДРа от магнитного поля, направленного вдоль осей а и Ь в фер-роборате гольмия, б) Область малых полей в увеличенном масштабе: виден различный ход магнитоэлектрических
кривых выше и ниже температуры Тан = 5 К
му, как это происходило в форроборато неодима при поле, равном полю / (/-обмена [3]. Знак поперечного (при Нь) магнитоэлектрического эффекта АРа был противоположен знаку продольного эффекта (при На). Последнее свойство характерно для всех легкоплоскостных ферроборатов, включая и смешанные составы (рис. 4).
Схожие закономерности наблюдаются в полевых зависимостях магнитострикции (рис. 5), коррелирующих с полевыми зависимостями поляризации: видны возвратный переход при 10 кЭ и смена знака по-
ляризации при внешнем поле 20 25 кЭ, приблизительно равном полю / (/-обмена.
На рис. 6 показаны зависимости поляризации вдоль различных осей в ферроборате гольмия при намагничивании вдоль оси с (поле Нс). Аномалии на кривых в районе 10 кЭ имеют вид, характерный для перехода типа спин-флоп [10,11], и сопровождаются гистерезисом, аналогичным наблюдаемому на рис. 1. Величина и конкретный вид полевых зависимостей поляризации при таком переходе во многом определяются присутствием неконтролируемых
ДРа, МкКл/м"
150
100
50
-50
4.2 К
а /
/ 10
■ / / 20
- —20 \ / / /
\\ // / 30
............40 // / /
^у / 40
-60 -80
-50
50
100
На, кЭ
ДРа, МкКл/'м" 100
50
-50
-100
-150
-200
-6
_ +80
+60 "\ \ Ш К
+40 // \\ \ \;30
"+20 /
/ \ \
\ ^Ч10
4.2
-50
50 100
Нь, кЭ
Рис.4. Полевые зависимости продольного (в) и поперечного (б) магнитоэлектрических эффектов для смешанного состава Но0..-,81110..-,Роз(ВОз)1. В иллюстративных целях зависимости при различных температурах разнесены (числа слева от кривых показывают величину смещения вдоль вертикальной оси)
Аа ' Ю
О
60 80 Нь, кЭ
Рис.5, а) Полевые зависимости магнитострикции выше и ниже Т.?я для НоРоз(ВОз)-1. б) Область малых полей в увеличенном масштабе
ДР, мкКл/м"
80 100
На, кЭ
Рис.6. Зависимости поляризации в ферроборате гольмия вдоль различных осей от магнитного поля, приложенного вдоль оси с, при Т = 4.2 К < Тдд
в эксперименте составляющих магнитного поля в базисной плоскости.
4. ОБСУЖДЕНИЕ
Индуцированный магнитным полом спин-поре-ориснтационный пороход с возвратом магнитных моментов ионов железа в базисную плоскость, наблюдаемый ниже температуры спиновой переориентации Т$ц = 5 К (возвратный переход), подобен перо-ходу, происходящему при температурах ниже 10 К в Сс1Гез(ВОз)4
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.