ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 6, с. 771-774
УДК 539.172.3:539.21;537.622.6
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СПИН-МОДУЛИРОВАННОЙ СТРУКТУРЫ МУЛЬТИФЕРРОИКА BiFeO3
МЕТОДАМИ МЁССБАУЭРОВСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ © 2015 г. В. С. Русаков1, В. С. Покатилов2, А. С. Сигов2, М. Е. Мацнев1, Т. В. Губайдулина1
E-mail: rusakov@phys.msu.ru
Представлены результаты мёссбауэровских исследований на ядрах 57Fe в мультиферроике BiFeO3 в диапазоне температур, включающем температуру магнитного фазового перехода. Обработка и анализ мёссбауэровских спектров проводили методами восстановления распределений сверхтонких магнитных полей и расшифровки в модели пространственной спин-модулированной структуры циклоидного типа. Получены температурные зависимости сверхтонких параметров спектра — сдвига и квадрупольного смещения мёссбауэровской линии, изотропного и анизотропного вкладов в сверхтонкое магнитное поле, а также параметра ангармонизма несоразмерной спиновой волны.
DOI: 10.7868/S0367676515060319
ВВЕДЕНИЕ
Феррит висмута Б1Ре03 — это мультиферроик, обладающий ферроэлектрическими и антиферромагнитными свойствами. Он имеет высокие температуру Нееля (643 К) и ферроэлектриче-скую температуру Кюри (1103 К). Благодаря исключительным особенностям своих физических свойств, Б1Бе03 вызывает к себе большой интерес во многих областях науки и техники (см., например, [1]). Методами нейтронографии высокого разрешения [2] установлено, что в Б1Бе03 наблюдается пространственная спин-модулированная структура (ПСМС) циклоидного типа с большим периодом к = 620 А, несоразмерным периоду кристаллической решетки [2], в которой магнитные моменты атомов Бе, антиферромагнитно упорядоченные по б-типу, поворачиваются вдоль направления распространения волны в плоскости, содержащей гексагональную ось симметрии ромбоэдрической ячейки феррита. Позднее существование ПСМС в Б1Бе03 теоретически обосновано в работах [3, 4], где показано, что пространственная зависимость угла & между вектором антиферромагнетизма и осью симметрии описывается эллиптической 8п-функцией Якоби.
Цель данной работы — температурные исследования пространственной спин-модулирован-
1 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова".
2 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики", Москва.
ной структуры мултиферроика BiFeO3 методами мёссбауэровской спектроскопии.
ОБРАЗЦЫ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ
Исследования методами мёссбауэровской спектроскопии выполнены на образце BiFeO3 c относительным содержанием стабильного изотопа 57Fe в количестве 10 ат. %. Поликристаллический образец BiFeO3 приготовлен на воздухе методом твердотельной керамической технологии, подробно описанной в [5]. Рентгенофазовый анализ подтвердил образование однофазного образца с параметрами ромбоэдрической ячейки (пр. гр. R3c) a = 3.963 Á и а = 89.43°.
Мёссбауэровские исследования проводили с использованием спектрометра MS1104Em, работающего в режиме постоянных ускорений с треугольной формой изменения доплеровской скорости движения источника относительно поглотителя. В качестве источника выступали ядра 57Co в матрице Rh. Калибровку мёссбауэровского спектрометра осуществляли при комнатной температуре с помощью стандартного поглотителя а-Fe. Измерения проводили при температурах в диапазоне 4.85—700 K с использованием малогабаритного криогенного комплекса производства ВНИИФТРИ, гелиевого криостата замкнутого цикла SHI-850-5 и мёссбауэровской печи MBF-1100-TR.
Для обработки и анализа мёссбауэровских спектров были использованы методы восстановления распределений сверхтонких параметров и расшифровки спектров в рамках модели ПСМС циклоидного типа, реализованных в программе SpectrRelax [6, 7].
772
РУСАКОВ и др.
N, % 100
96
92
12 -8
-4 0 б
8 12 и, мм/с
545 Hn, кЭ
Рис. 1. Мёссбауэровский спектр ядер 57Ре в Б1РеОз, измеренный при Т = 4.85 К (а), и результат его обработки методом восстановления распределения р(Нп) сверхтонкого магнитного поля Нп и в рамках модели ПСМС циклоидного типа (б). На рис. 1б: точки со стандартными отклонениями ошибок — результат восстановления р(Нп); сплошная линия с заштрихованной областью — распределение р(Нп), рассчитанное в рамках модели ПСМС циклоидного типа.
Предполагая наличие линейной корреляции между всеми сверхтонкими параметрами спектра, сдвигом мёссбауэровской линии 8, квадруполь-ным смещением б и полем Нп, мы восстановили распределения сверхтонкого магнитного поля р(Нп) из мёссбауэровских спектров методом, подробно описанным в [8]. На рис. 1б видно, что в восстановленных распределениях наблюдаются два четко выраженных несколько разных по величине локальных максимума. Этим локальным максимумам соответствуют практически одинаковые сдвиги и различные квадрупольные смещения противоположного знака. Результат восстановления распределений р(Нп) не противоречит, а скорее предполагает наличие ПСМС в Б1БеО3. Дальнейшую обработку мёссбауэровских спектров осуществляли методами модельной расшифровки в рамках модели ПСМС циклоидного типа.
При модельной расшифровке мёссбауэров-ских спектров в соответствии с работами [3, 4] пространственная зависимость угла &(х) между вектором антиферромагнетизма и осью симметрии в феррите висмута Б1БеО3 для случая одноосной анизотропии с положительной константой магнитной анизотропии (Ки > 0) представлялась уравнением
cos ж*) = sn (Km)
\ X
x, m
(1)
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В спектрах, полученных ниже температуры Нееля Т< Тм, наблюдается асимметрия зееманов-ского секстета с неоднородно уширенными резонансными линиями. В качестве примера на рис. 1а представлен мёссбауэровский спектр ядер 57Бе в мультиферроике Б1БеО3, измеренный при температуре Т = 4.85 К. Наблюдаемые особенности спектров связаны с существованием в Б1БеО3 ПСМС и объясняются зависимостями квадрупольного смещения е резонансных линий и сверхтонких магнитных полей Нп в парциальных спектрах от ориентации локальных магнитных моментов атомов железа относительно главной оси тензора градиента электрического поля (ГЭП).
где х — координата вдоль направления распространения волны, X — длина ангармонической волны спиновой модуляции, 0 < m < 1 — параметр (ангармонизма) эллиптической функции Якоби sn(x, m), K (m) — полный эллиптический интеграл первого рода.
Поскольку ПСМС в BiFeO3 несоразмерна с периодом решетки, в программе SpectrRelax [7] весь диапазон изменения координаты х е [0, X] разбивали на достаточно большое число одинаковых по величине интервалов. Каждой границе интервала разбиения диапазона изменения координаты соответствовали определенное значение угла &(х) и "локальная" линия резонансного поглощения в виде зеемановского секстета. Зная это значение угла &(х), для каждого секстета рассчитывали квадрупольное смещение резонансных линий в первом е(Э) и втором a±(S) порядках малости разложения по энергии квадрупольного взаимодействия и сверхтонкое магнитное поле H„(0(x)) в области расположения ядра:
6(d) = 6to(3cos2(3(x)) - 1)/2, (2)
= еш-^Ь- (cos2 d ± W д) sin2 д, (3)
gexV nHn\ 8 I
HMx)) = Hls + Han(3cos2(3(x)) - 1)/2, (4) где Elat — квадрупольное смещение, обусловленное ГЭП, создаваемого окружающими ядро ато-
а
4
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ Б1Бе03
773
8, мм/с 0.7
J_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I
0 100 200 300 400 500 600 700
Т, К
Рис. 2. Температурная зависимость сдвига мёссбауэ-ровской линии 5.
Н, кЭ 600
400 -
200 -
0 100 200 300 400 500 600 700
Т, К
Рис. 3. Температурные зависимости изотропного Н « и анизотропного Нап вкладов в сверхтонкое поле Нп на ядрах 57Бе в мультиферроике Б1Ре03.
мами, Н« и Нап — изотропный и анизотропный вклады в сверхтонкое поле Нп, при этом — ядерный магнетон, ggr и gex — ^-факторы основного и возбужденного состояний мёссбауэровского ядра 57Бе. Наряду с т, е!а1, Н« и Нап сдвиг 8 также являлся варьируемым параметром и был одинаков для всех секстетов.
Поиск оптимальных значений параметров моделей осуществляли в соответствии с критерием максимального правдоподобия (критерием х2) методом Левенберга— Марквардта, особенности реализации которого для устранения неустойчивости метода при наличии сильных корреляций между параметрами и точного нахождения частных производных для улучшения сходимости метода оптимизации описаны в работе [6].
В соответствии с описанной выше реализацией модели ПСМС циклоидного типа были обработаны все мёссбауэровские спектры, полученные ниже температуры Нееля. Результат обработки в рамках модели ПСМС циклоидного типа мёссбауэровского спектра ядер 57Бе в Б1Бе03, измеренного при Т = 4.85 К, приведен на рис. 1. Видно хорошее соответствие модельной огибающей спектра экспериментальному мёссбауэров-скому спектру. Для сравнения на рис. 1б приведено распределение сверхтонкого магнитного поля р(Нп), рассчитанное в рамках модели ПСМС циклоидного типа и распределение, полученное в результате метода восстановления. Наблюдаемое некоторое различие в восстановленном и рассчитанном в рамках модели ПСМС циклоидного типа распределениях сверхтонкого магнитного по-
ля р(Нп) (см. рис. 1б), полученных из мёссбауэ-ровских данных, связано в первую очередь с требованием гладкости к р(Нп) при его восстановлении [8].
Значения сдвига мёссбауэровской линии 8, полученные в результате расшифровки, соответствуют высокоспиновому состоянию катионов железа Бе3+ в октаэдрическом кислородном окружении. Температурная зависимость сдвига хорошо описывается в дебаевском приближении колебательного спектра мёссбауэровских ядер с дебаев-ской температурой = 358 ± 27 К (см. рис. 2). Квадрупольное смещение е1а„ обусловленное градиентом электрического поля, создаваемого окружающими ядро атомами, оказалось положительным и достаточно большим, оно хорошо согласуется со значением квадрупольного смещения б = 0.219 ± 0.002 мм/с для спектров, измеренных нами в парамагнитной обл
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.