Исследование ферритов-шпинелей с фрустрированной магнитной структурой тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.11, доктор физико-математических наук Антошина, Любовь Георгиевна

• Антошина, Любовь Георгиевна
• доктор физико-математических наук
• 2004

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Антошина, Любовь Георгиевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. СИСТЕМЫ СиОауАЩ^Ол и СиОауАкРе^Од

§1.1. Статистические теории разбавленных ферримагнетиков.

§1.2. Диаграммы магнитного упорядочения в шпинелях.

§1.3. Модели спинового стекла.

§1.4. Краткий обзор литературы по исследованию разбавленных ферритов-шпинелей с фрустрированной магнитной структурой.

§ 1.5. Исследование образцов систем СиОахА1хРе2-2Х04 (х = 0.2, 0.3,

0.4, 0.5, 0.6 и 0.7) и СиОахА12хРе2.зхО4(х=0.1, 0.2, 0.3, 0.4 и 0.5).

§ 1.6. Мессбауэровские исследования образцов системы

СиОахА1хРе2.2х04 (х = 0.1,0.2, 0.3, 0.4, 0.5 и 0.6).

Основные результаты главы 1.

ГЛАВА II. ОБРАЗЦЫМодРе^ГЫ^Сг^Од, Си^Ре^ГЫ^Сг^Од и 2пмЕеабЩ1мСгм

§2.1. Краткий обзор литературы по исследованию ферритовхромитов с точкой компенсации. ИЗ

§ 2.2. Измерение намагниченности образцов Nio.4Feo.6tNio.6Cr1.43O4,

Cuo.4Feo.6fNio.6Cr1.43O4 и Zno.4Feo.6fNio.6Cr1.43O4.

§ 2.3. Измерение магнитострикции образцов Cuo.4Feo.6fNio.6Cr1.43O4 и

Zno.4Feo.6fNio.6Cr1.43O4.

§ 2.4. Сравнение экспериментальных результатов с литературными данными.

Основные результаты главы II.

ГЛАВА III. СИСТЕМА GaJe^NiCrOi

§3.1. Краткий обзор литературы по исследованию ферритовхромитов системы GaxFeixNiCr04.

§ 3.2. Исследование магнитных и магнитострикционных свойств феррита-хромита NiFeCr04.

§ 3.3. Измерение намагниченности образцов системы GaxFei.xNiCr х = 0.2, 0.4, 0.6, 0.8).

§ 3.4. Измерение магнитострикции образцов системы GaxFei.xNiCr х = 0.2, 0.4, 0.6, 0.8).

Основные результаты главы III.

ГЛАВА IV. СИСТЕМА CuvNiuvFen^Cr^O^

§4.1. Измерение намагниченности образцов системы

CuxNii.xFeo.6Cr1.404 (х = 0.0, 0.1, 0.2, 0.3 и 0.4).

§ 4.2. Мессбауэровские исследования образцов системы CUxNio.4-xFeo.6tNio.6Crj.4JO4 (х = 0.0, 0.1 и 0.4) и ферритахромита Zn0.4Fe0.6[Nio.6Cri,4]04.

Основные результаты главы IV.

ГЛАВА V. СИСТЕМА CuFe^CiyO^

§ 5.1. Краткий обзор литературы по исследованию ферритовхромитов с фрустрированной магнитной структурой.

§ 5.2. Измерение намагниченности и магнитосопротивления образцов системы CuFe2.xCrx04 (х = 0.2, 0.3, 1.0, 1.4, 1.6 и 2.0).

§ 5.3. Измерение магнитострикции образцов системы CuFe2-xCrx х = 0.2, 0.3, 1.0, 1.4 и 1.6).

§ 5.4. Мессбауэровские исследования образцов системы CuFe2.xCrx х = 0.2, 1.0 и 1.4).

§ 5.5. О магнитном моменте ионов Cr в системе CuFe2-xCrx04.

Основные результаты главы V.

ГЛАВА VI. ФЕРРИТ МЕДИ СиРе2Од

§6.1. Краткий обзор литературы по исследованию феррита меди

CuFe204.

§ 6.2. Исследование феррита CuFe204.

§ 6.3. О магнитном моменте феррита CuFe204.

§ 6.4. Влияние степени ковалентности на магнитострикцию медьсодержащих ферритов со структурой шпинели.

Основные результаты главы VI.

ГЛАВА VII. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

§7.1. Приготовление образцов.

§ 7.2. Рентгенофазовый анализ.

§ 7.3. Измерение намагниченности.

§ 7.4. Измерение магнитострикции.

§ 7.5. Измерение электросопротивления и магнитосопротивления.

§7.6. Измерение магнитокалорического эффекта.

§ 7.7. Измерение и стабилизация температуры.,

§ 7.8. Измерение других свойств.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование ферритов-шпинелей с фрустрированной магнитной структурой»

Актуальность темы. Одной из фундаментальных проблем физики магнитных явлений является выяснение характера обменных взаимодействий и магнитного упорядочения веществ с фрустрированной магнитной структурой. Этот вопрос является актуальным в связи с общей проблемой неоднородных магнитных состояний, широко обсуждаемой в последние годы. При замещении части магнитных ионов на немагнитные рвутся обменные связи и при определенной значительной их концентрации возникает характерная структура, которую мы называем фрустрированной магнитной структурой. С энергетической точки зрения фрустрации (вырождение основного состояния в конденсированных системах взаимодействующих объектов) магнитных связей обусловлены невозможностью одновременной минимизации энергий всех обменных связей. В результате в магнитной системе возникают неоднородные состояния, и реализуется возможность для формирования кластеров - взаимодействующих областей с дальним магнитным порядком. Фрустрированная магнитная структура образуется в металлах и магнитодиэлектриках как в случае разбавления их немагнитными ионами, так и при наличии конкурирующих взаимодействий различных знаков и радиусов действия.

В литературе имеется немало сообщений об экспериментальных и теоретических исследованиях поведения магнитных свойств разбавленных сплавов, в то время как работ по изучению ферримагнетиков с фрустрированной магнитной структурой весьма ограниченное количество. Однако подробное изучение магнитных превращений в ферритах имеет принципиальный интерес, ибо механизм возникновения спонтанной намагниченности в них иной, чем в ферромагнитных материалах [1], поскольку магнитное упорядочение в ферритах обусловлено косвенным обменным взаимодействием. Кроме того, ферриты в отличие от сплавов являются многоподрешеточными ферримагнетиками. Фрустрированная магнитная структура в ферритах-шпинелях образуется как в случае разбавления обеих подрешеток немагнитными ионами [2], так и при наличии в них различных по знаку и величине обменных взаимодействий [3]. Формирование фрустрированной магнитной структуры происходит также и при облучении быстрыми нейтронами ферритов-шпинелей, что не только создает в облучаемых кристаллах единичные точечные дефекты, но и приводит к возникновению специфического разупорядочения [4, 5].

В результате воздействия вышеупомянутых факторов происходит ослабление конкурирующих обменных взаимодействий. Магнитная структура в зависимости от степени разбавления может быть собой как структурой с разорванными магнитными связями, так и кластерной структурой, которая представляет собой отдельные спонтанно намагниченные области, образованные дальним магнитным порядком. В спиновом стекле формируются кластеры с ближним магнитным порядком.

У ферритов с фрустрированной магнитной структурой наблюдается аномальное поведение многих физических свойств, которые отличаются от аналогичных свойств ферритов с обычным ферримагнитным упорядочением. В литературе большое внимание уделено исследованию состояния спинового стекла шпинелей при низких температурах - в районе температуры замерзания, тогда как в интервале температур от 80 К до температуры Кюри таких сведений явно недостаточно в случае ферритовых материалов. При этом, к сожалению, исследования магнитных свойств ферритов с фрустрированной магнитной структурой, в основном, проводятся каким-то одним или, в крайнем случае, двумя методами. В то же время для полноты картины наблюдаемых явлений желательно проводить комплексное исследование различных физических свойств на одном и том же составе.

Таким образом, комплексное проведение экспериментальных работ в этой области магнетизма крайне важно как для более глубокого понимания физики магнитных явлений в ферритах, так и для создания новых магнитных материалов для современной техники.

Необходимо заметить, что в настоящее время при исследовании ферритов-шпинелей с фрустрированной магнитной структурой очень мало внимания уделяется изучению таких магнитных свойств, как коэрцитивная сила, магнитострикция и магнитосопротивление. Вместе с тем подобные исследования представляют большой научный интерес, т.к. данные ферриты обладают нетрадиционными магнитными свойствами при температурах выше комнатной и поэтому могут иметь широкое применение в радио и телекоммуникационных системах, радиотехнических устройствах, СВЧ-технике, в магнитострикционных преобразователях и т.д. [6]. Несомненно, что результаты исследований ферритов-шпинелей с фрустрированной магнитной структурой позволят заранее прогнозировать магнитные и особенно магнитострикционные свойства новых составов ферритов-шпинелей. Цель работы. Основной задачей работы является комплексное экспериментальное исследование широкого класса разбавленных ферритов-шпинелей меди и ферритов-хромитов никеля и меди с фрустрированной магнитной структурой с целью разработки физических принципов управления их свойствами применительно к использованию в различных элементах и устройствах магнитоэлектроники. Конкретно это выразилось в решении следующих вопросов:

- Установление общих закономерностей в поведении температурных зависимостей магнитных свойств, магнитострикции и магнитосопротивления ферритов-шпинелей с фрустрированной магнитной структурой.

- Изучение особенностей процесса намагничивания в ферритах-шпинелях с фрустрированной магнитной структурой.

- Выявление на основе экспериментальных данных причин возникновения аномальных зависимостей а5(Т) 1М-, Р- и Ь-типа.

Для решения поставленных задач использовался широкий комплекс методов исследования, включающий измерение намагниченности, коэрцитивной силы, магнитострикции, магнитосопротивления, электросопротивления, теплового линейного расширения, рентгенофазовый анализ. На ряде составов были проведены измерения магнитной анизотропии и магнитокалорического эффекта.

Исследованию фрустрированных структур предшествовало детальное и многолетнее исследование аналогичных свойств ферритов с обычным ферримагнитным упорядочением, выполненных автором. Поэтому дальнейшее развитие этих исследований с переходом на системы с частично разрушенными магнитными связями имеет прочную экспериментальную базу для сравнения. В качестве объектов исследования были выбраны составы, приготовленные по керамической технологии, в которых, согласно [7], следовало ожидать состояния спинового стекла или фрустрированной магнитной структуры:

1. Впервые синтезированы составы разбавленных ферритов двух систем СиОахА1хРе2-2х04 (х = 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6 и 0.7) - система I и СиСахА12хРе2.зх04 (х = 0.1, 0.2, 0.3, 0.4 и 0.5) - система II. Согласно [7], у составов с х>0.5 системы I и составов с х > 0.3 системы II следует ожидать состояния спинового стекла или фрустрированной магнитной структуры.

2. Впервые синтезирован разбавленный феррит-хромит никеля Zno.4Feo.6tNio.6Cr1.4lO4 и оригинальные составы ферритов-хромитов системы CuxNi1.xFeo.6Cr1.4O4 (х = 0.1, 0.2, 0.3 и 0.4); для сравнения был приготовлен феррит Nio.4Feo.6tNio.6Cr1,4] О4.

3. Разбавленные ферриты-хромиты никеля СахРе1.х[МСг]04 (х = 0.0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8).

4. Ферриты-хромиты меди СиРе2-хСгх04 (х = 0.2, 0.3, 1.0, 1.4, 1.6 и 2.0).

5. Феррит меди СиРе204 с тетрагонально-искаженной структурой шпинели.

Для сравнения результатов исследования ферритов-хромитов были привлечены данные для ферритов-хромитов кобальта СоРеСг04 и никеля NiFe1.tCro.9O4.

В общей сложности в работе исследовались более 30 составов ферритов со структурой шпинели.

Научная новизна.

1. Установлено, что разбавленные ферриты меди и ферриты-хромиты меди и никеля представляют собой особый класс шпинелей с фрустрированной магнитной структурой, обладающих аномальными магнитными и магнитострикционными свойствами, не описывающимися существующими теориями ферримагнетизма.

2. Результаты экспериментальных исследований выявили общие закономерности роли фрустраций в формировании основных магнитных характеристик ферритов со структурой шпинели. Интерпретация полученных результатов дана в предположении о существовании двух последовательных фазовых магнитных переходов из парамагнитного состояния в состояние с фрустрированной магнитной структурой.

3. Температурная зависимость спонтанной намагниченности разбавленных ферритов меди и ферритов-хромитов меди и никеля является следствием кластерной магнитной структуры и не может быть объяснена в рамках классической модели. Линейный в широком интервале температур характер температурной зависимости спонтанной намагниченности обусловлен одновременным существованием фрустраций магнитных связей в обеих подрешетках. Установлены особенности спонтанной намагниченности, характеризующие материалы такого типа.

4. В разбавленных ферритах меди продольная и поперечная магнитострикции близки по величине, что обусловлено наличием фрустрированной магнитной структуры, и приводит к существенному увеличению объемной магнитострикции. Существование фрустраций магнитных связей в исследованных составах сопровождается уменьшением почти на порядок коэрцитивной силы по сравнению с нефрустрированными ферритами-шпинелями.

5. Конкуренция двух межподрешеточных косвенных обменных взаимодействий разных знаков и сильного отрицательного внутриподрешеточного прямого обменного взаимодействия в ферритаххромитах приводит к фрустрации магнитных связей в октаэдрических узлах решетки шпинели.

6. Выявлены общие закономерности в поведении процесса намагничивания в ферритах-хромитах с фрустрированной магнитной структурой, для которых техническое намагничивание в основном отсутствует, а рост намагниченности с полем осуществляется за счет вращения магнитных моментов кластеров к направлению внешнего магнитного поля и парапроцесса, происходящего в результате уменьшения степени неколлинеарности внутри кластеров.

7. Обнаружение неизвестных ранее фазовых переходов в медном феррите. Установлено, что в медьсодержащих ферритах со структурой шпинели поведение магнитострикции определяется степенью ковалентности химических связей.

Основные положения, выносимые на защиту;

1. Обоснование возможностей и разработка физических принципов целенаправленного управления свойствами ферритов-шпинелей с фрустрированной магнитной структурой. Основой прогнозирования служат результаты комплексного исследования физических свойств, как разбавленных ферритов меди, так и ферритов-хромитов меди и никеля.

2. Результаты экспериментальных исследований закономерностей влияния фрустраций на формирование основных магнитных характеристик ферритов со структурой шпинели и их интерпретация в предположении о существовании двух последовательных фазовых магнитных переходов из парамагнитного состояния в состояние с фрустрированной магнитной структурой.

3. Закономерности концентрационных изменений спонтанной намагниченности разбавленных ферритов меди и ферритов-хромитов меди и никеля как существование кластерной магнитной структуры, не объясняемой в рамках классической модели.

4. Общие закономерности в поведении процесса намагничивания ферритов-хромитов с фрустрированной магнитной структурой, для которых рост намагниченности с полем осуществляется за счет вращения магнитных моментов кластеров к направлению внешнего магнитного поля и парапроцесса, происходящего в результате уменьшения степени неколлинеарности внутри кластеров.

Практическая ценность работы:

1. Выявленный характер обменных взаимодействий и магнитного упорядочения в ферритах-шпинелях с фрустрированной магнитной структурой является важным для создания теории магнитных взаимодействий в ферритах-шпинелях с фрустрированной магнитной структурой.

2. На основании установленного характера изменения коэрцитивной силы от степени разбавления выявлена новая возможность получения магнитомягких материалов путем создания в них фрустрированной магнитной структуры.

3. Особый интерес представляют результаты о практически одинаковых температурных и полевых зависимостях продольной и поперечной магнитострикций для разбавленных ферритов, обладающих фрустрированной магнитной структурой. Из чего следует, что при наложении поля образец увеличивается почти одинаково как вдоль, так и поперек приложенного поля в большом температурном интервале, что может послужить предпосылкой для создания новых магнитных материалов с большой величиной объемной магнитострикции (со ~ 10"4).

4. Предложенный автором механизм возникновения аномальных температурных зависимостей спонтанной намагниченности ст5(Т) 1ЧГ-, Р- и Ь-типа дает возможность только по виду температурной зависимости спонтанной намагниченности судить о фрустрации магнитных связей в подрешетках ферритов-шпинелей.

5. Полученные экспериментальные данные по исследованию магнитострикции медьсодержащих ферритов показали, что для получения материалов с большой величиной магнитострикции необходимо учитывать степень ковалентности 3<1-ионов с кислородом.

Личный вклад автора. Проведен анализ и обобщение результатов экспериментальных исследований, выполненных либо непосредственно автором, либо под его руководством. Разработка темы диссертационной работы, постановка её задач, выбор методик и объектов исследований принадлежат автору.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Международных, Всесоюзных и Российских конференциях: XIV Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений, 26-29 сентября 1979 г., Харьков; XV Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений, 8-11 сентября 1981 г., Пермь; XVI Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений, 6-9 сентября 1983 г., Тула; IX Всероссийской школе-семинаре «Новые магнитные материалы для микроэлектроники», 9-16 сентября 1984 г., Саранск; X Международном симпозиуме по Ян-Теллеровскому эффекту, 26-29 1989г., Кишинев, СССР; Международном семинаре «Физика магнитных явлений», май 1994 г., Донецк; XV Всероссийской школе-семинаре "Новые магнитные материалы микроэлектроники", 18-21 июня 1996 г., Москва; L

7 Международной конференции по ферритам - 7 ICF, 3-6 сентября 1996 г., Бордо, Франция; 13 Международной конференции по мягким магнитным материалам - SMM13, 24-26 сентября 1997 г., Гренобль, Франция; Всероссийской научно-практической конференции «Оксиды. Физико-химические свойства и технология», 27-31 января 1998 г., г. Екатеринбург; Московском Международном симпозиуме по магнетизму, июнь 20-24, 1999 г., Москва, Россия; V Всероссийской научной конференции «Оксиды. Физико-химические свойства», г. Екатеринбург, 2000 г.; 8 Европейской конференции по магнитным материалам и их применениям (EMMA), 7-10 июня 2000г., Киев, Украина; XVII Международной школе-семинаре «Новые магнитные материалы микроэлектроники», 20-23 июня 2000г, Москва; Евро-Азиатском симпозиуме "Trends in Magnetism" - EASTMAG-2001, 27 февраля - 2 марта 2001 г.,

Екатеринбург, Россия; Объединенном магнитном симпозиуме - EMMA-MRM, 28 августа - 1 сентября, 2001г., Гренобль, Франция; Международной магнитной конференции - 2002 IEEE, 28 апреля - 2 мая 2002г., Амстердам, Нидерланды; Научной конференции: Ломоносовские чтения, Секция физики, апрель 2002 г., Москва; Московском Международном симпозиуме по магнетизму - MISM, 2024 июня 2002г., XVIII Международной школе-семинаре "Новые магнитные материалы микроэлектроники", 24-28 июня 2002г, Москва, Россия; VIII Международной конференции «Мессбауэровская спектроскопия и ее применения», 08-12 июля 2002 г. Санкт-Петербург, Россия; Четвертом международном семинаре «Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении», 3-5 октября 2002 г., Астрахань, Россия; Международной конференции по магнетизму - ICM 2003, 27 июля - 1 августа 2003, Рим, Италия; Международном семинаре «Выездной секции по проблемам магнетизма в магнитных пленках, малых частицах и наноструктурных объектах», 10-14 сентября 2003, Астрахань, Россия; Международной конференции «Функциональные материалы» - ICFM-2003, Украина, Крым, Партенит, Октябрь 6-11, 2003.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 70 статей и тезисов докладов. Список основных публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка цитируемой литературы. В заключении каждой главы приводятся ее основные результаты и краткие выводы. Объем диссертации составляет 343 страницы, включая 227 рисунков, 14 таблиц, а также список литературы из 269 наименований.

Заключение диссертации по теме «Физика магнитных явлений», Антошина, Любовь Георгиевна

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Установлено, что для составов с фрустрированной магнитной структурой - разбавленных ферритов меди, ферритов-хромитов никеля и меди имеет место аномальное поведение спонтанной намагниченности ст5(Т), коэрцитивной силы Нс(Т) и производной спонтанной намагниченности по температуре (с1(1</с1Т)(Т). При этом обнаружено, что резкое уменьшение спонтанной намагниченности происходит при более низкой температуре (Тп), чем снижение коэрцитивной силы (Тс). Оказалось, что при повышении температуры величина | с1су5/с1Т | сначала увеличивается, в некотором температурном интервале остается постоянной, затем снова уменьшается. Методом термодинамических коэффициентов для ферритов с фрустрированной магнитной структурой определено, что ниже температур « Тп, в исследованных составах возникает дальний магнитный порядок.

2. Обнаружено, что величина коэрцитивной силы у ферритов с фрустрированной магнитной структурой почти на порядок меньше, чем для ферритов с нефрустрированной магнитной структурой.

3. Показано, что у ферритов с фрустрированной магнитной структурой в районе температуры возникновения дальнего магнитного порядка (Тп), при которой происходит резкое уменьшение спонтанной намагниченности, отсутствуют экстремумы на температурных зависимостях магнитосопротивлений (АИ/Я)^!, которые обычно имеют место при переходе из структуры с дальним магнитным порядком в парамагнитное состояние. Установлено, что экстремумы на кривых (АК/Я)||9х(Т) отсутствуют также и при температуре Тс, при которой как спонтанная намагниченность, так и коэрцитивная сила обращаются в нуль. Обнаружено, что у ферритов с фрустрированной магнитной структурой в районе температур Тс и Тп происходит изменение энергии активации.

4. Обнаружено, что у разбавленных ферритов с фрустрированной магнитной структурой продольная А,ц и поперечная Х± магнитострикции имеют положительный знак и приблизительно равны по величине, на основании чего показано, что магнитострикция за счет технического намагничивания в них незначительна, а наблюдается, в основном, магнитострикция парапроцесса. Выявлено, что у этих ферритов объемная магнитострикция в несколько раз больше, чем у ферритов с нефрустрированной магнитной структурой.

5. Выдвинуто предположение о причине фрустрации магнитных связей в ферритах-хромитах, основанное на существовании в них двух межподрешеточных косвенных обменных взаимодействий разных знаков I ^ 34" 3+ 2 2+

Бе А - О" - Сг в > 0 и Бе а - О " - № в < О, а также наличии сильного отрицательного внутриподрешеточного прямого обменного взаимодействия Сг3+в - Сг3+В, подтвержденного экспериментально.

6. Показано, что у ферритов-хромитов с большим содержанием ионов Сг3+ заниженные значения экспериментально наблюдаемых магнитных моментов Поэксп могут быть обусловлены уменьшением величины магнитных моментов ионов Сг3+ как в результате спаривания 12ё-орбиталей в октаэдрической подрешетке, так и переносом спиновой плотности от лигандов в пустые её-орбитали ионов Сг3+.

7. Установлено, что в ферритах-хромитах с фрустрированной магнитной структурой процесс технического намагничивания, состоящий из процессов смещения и вращения, в основном отсутствует, а рост намагниченности осуществляется за счет вращения магнитных моментов кластеров по направлению внешнего магнитного поля и парапроцесса, происходящего в результате уменьшения степени неколлинеарности внутри кластеров.

8. Обнаружено, что в отличие от ферритов с обычным ферримагнитным упорядочением у составов с фрустрированной магнитной структурой в районе температуры Тп на температурной зависимости восприимчивости парапроцесса Хпара(Т) имеет место широкий размытый максимум, а при Тс он отсутствует, что связано с ростом намагниченности за счет вращения магнитных моментов кластеров и парапроцесса.

9. Впервые показано, что, если фрустрированная магнитная структура имеет место в обеих подрешетках ферритов, то наблюдается аномальная зависимость as(T) нового типа, вид которой экспериментально обнаруживается как для разбавленных ферритов, так и для ферритов-хромитов. На основании этого сделано заключение о возможности возникновения аномальных зависимостей as(T) N-, Р- и L-типа, когда хотя бы в одной из подрешеток ферритов имеет место фрустрированная магнитная структура.

10. Установлено, что разбавленные ферриты CuGaxAlxFe2.2X04 (х>0.5), ферриты-хромиты CuFe2-xCrx04 (х = 1.0 и 1.4), а также ферриты Zno.4Fe0.6[Nio.6Cri.4]04 и Zn0.4Feo.6[Nio.6Cri.4]04 имеют фрустрированную магнитную структуру, что подтверждено результатами исследований мессбауэровских спектров. Увеличение степени фрустрации в ферритах CuxNio.4-xFe0.6[Nio.6Cri.4]04 по мере роста значения х также подтверждено данными мессбауэровских исследований.

11. Обнаружено, что в медном феррите CuFe204 выше 320 К имеет место спин-переориентационный переход, обусловленный поворотом вектора намагничивания от оси [111] в направлении к оси [001]. Определено влияние степени ковалентности на характер поведения и величину магнитострикции медьсодержащих ферритов со структурой шпинели.

Заключение

Суммируя представленные в диссертации материалы, можно утверждать, что с научной точки зрения основным результатом является обоснование возможностей и разработка физических принципов целенаправленного изменения магнитных, магнитострикционных и магнитоэлектрических свойств ферритов со структурой шпинели. Основой прогнозирования служат результаты комплексного исследования физических свойств как разбавленных ферритов СиСахА1хРе2.2х04 и Си0ахА12хРе23х04, так и ферритов-хромитов Сих№ 1 .х[Тео.бСг 1,4] 04, Zno.4Feo.6tNio.6Cr1.4jO4, 0ахРе1.х[№Сг]04, СиРе2хСгх04. Обоснованность выбора объектов исследования подтверждается как экспериментальными данными по исследованию намагниченности, коэрцитивной силы, магнитострикции, магнитосопротивления, электросопротивления, изучению мессбауэровских спектров, полученными в настоящей работе, так и имеющимися в литературе результатами исследования других ферритов с фрустрированной магнитной структурой.

Представленные результаты позволяют заранее прогнозировать магнитные и магнитострикционные свойства новых ферритов-шпинелей и судить об их магнитной структуре.

Практическую значимость работы определяет возможность использования установленных закономерностей для создания ферритов с заранее заданными магнитными свойствами для применения в радио и телекоммуникационных системах, радиотехнических устройствах,' СВЧ-технике, в магнитострикционных преобразователях и т.д. Особую значимость приобретают эти исследования для получения магнитомягких материалов путем создания в них фрустрированной магнитной структуры, а также синтезирование новых магнитных материалов с большой величиной объемной магнитострикции (со ~ 10"4).

Результаты представленной работы, по существу, обозначают особый класс ферритов-шпинелей с фрустрированной магнитной структурой, исследования которых являются важными для создания теории магнитных взаимодействий в них.

В заключение считаю своим приятным долгом выразить огромную благодарность и сердечную признательность за большое внимание к работе с.н.с., к.ф.-м.н. Аиде Николаевне Горяга, под руководством которой мне посчастливилось работать почти два десятилетия.

Выражаю благодарность н.с., к.ф.-м.н. Александру Ивановичу Кокореву за помощь в работе.

Я благодарна своим дипломникам Костину H.H., Митинской Т.В., Кондратьевой Е.Г., Дреминой И.В., Фильгус И.А., Камзолову Е.А., Якунину А.Н., Санькову В.В., Евстафьевой E.H., КозьминуА.С. и аспирантке Кукуджановой E.H., совместная работа с которыми была весьма плодотворна.

Приношу свою благодарность с.н.с., к.ф.-м.н. Борису Вениаминовичу Миллю за предоставленную возможность синтеза многих составов исследованных образцов.

Выражаю искреннюю благодарность рецензенту от кафедры общей физики и магнитоупорядоченных сред физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова заслуженному профессору Сергею Александровичу Никитину за полезные замечания, сделанные им при чтении диссертации.

Благодарю заведующего кафедрой общей физики и магнитоупорядоченных сред (кафедрой общей физики для естественных факультетов) физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова заслуженного профессора Бориса Анатольевича Струкова, а также коллектив кафедры за доброжелательное отношение и внимание за все время моей работы на кафедре.

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Антошина, Любовь Георгиевна, 2004 год

1. Белов К.П., Болыпова К.М., Елкина Т.А. Исследование намагничивания ферритов в области точки Кюри. // Изв. АН СССР. Сер. Физ. 1957. T.XXI. №8. 1047-1054.

2. Villain J. Insulating spin glasses. // Z. Physik B. 1979. 33. P.31-42.

3. CoeyJ.M.D. Amorphous magnetic order. // J. Appl. Phys. 1978. 49. №3. P. 1646-1652.

4. Чукалкин Ю.Г., Структура и магнетизм оксидов, облученных быстрыми нейтронами: Дисс.... д-ра физ.-мат. наук. - Екатеринбург, 2000. - 273 с.

5. Гошицкий Б.Н., МеньА.Н,, Синицкий И.А., Чукалкин Ю.Г. Структура и магнитные свойства окисных магнетиков, облученных быстрыми нейтронами. М.: Наука, 1986. 176 с.

6. Левин Б.Е., Третьяков Ю.Д., ЛетюкЛ.М. Физико-химические основы получения, свойства и применение ферритов, // М.: Металлургия. 1979. 471с.

7. Poole СР., Farach Н.А. Magnetic phase diagram of spinel spin-glasses. // Z. Phys. B. 1982. 47. P.55-57.

8. Gilleo M.A. Superexchange interaction in ferrimagnetic garnets and spinels y^^ which contain randomly incomplete linkages. // J. Phys. Chem. Solids. 1960.

9. GellerS., WillamsH.J., EspinosaG.P., SherwoodR.C., Importance of intrasublattice magnetic interactions and of substitutional ion type in the behavior of substituted yttrium ion garnets. // Bell Syst. Techn. J. 1964. 43. № 2. P.565-623.

10. Жиляков СМ. Магнитная структура диамагнитно-разбавленных кубических ферримагнетиков. // Известия вузов. Сер. «Физика». 1984. №10.С.105-125.

11. Жиляков СМ., Р1волгаВ.В,, Найден Е.П., Симонцева Т.Н. Магнитные превращения в Ni-Zn феррошпинели. // Известия вузов. MB и ССО СССР. Физика. 1986. № 7. С23-27.

12. Коренблит Е.Я., ШендерЕ.Ф. Спиновые стекла. // Известия вузов. Сер. "Физика". 1984. №10. 23-45.

13. Коренблит Е.Я., Шендер Е.Ф. Спиновые стекла и неэргодичность. // УФН. 1989.157. №2. 267-310.

14. Fiorani D., Castaldi L., Lapiccirella A., Viticoli S., Tomassini N. Monte Carlo simulation of percolation phenomena in the cationic B-sublattice of spinels. // Solid State Comm. 1979. 32. P.831-832.

15. Fiorani D., Viticoli S. Experimental evidence of a critical concentration forthe long-range magnetic order in the A-sublattice of spinels. // Solid State Comm. \Щ 1979.29.№З.Р.239-241.

16. M.F.Sykes, D.S.Gauntand, Maureen Glen "Percolation processes in three dimensions", J. Phys. A, 1976, 9, № 10, 1705-1712.

17. DombC. DaltonN.W. Crystal statistics with long range forces. I. The equivalent neighbour model. // Proc. Phys. Soc. 1966. 89. part 4. №566. P.859-871.

18. PytlikL. Magnetic Phase Diagram of ferrites with Selectuve Sublattice Dilution. // 1997. J.PHYS. IV FRANCE. 7. P.Cl-183 - Cl-184.

19. SchollF., Binder K. Selective Sublattice Dilution in Ordered Magnetic Compounds: A New Kind of Percolation Problem. // Z. Phys. B. 1980. 39. P.239-247.

20. Binder K., Young A.P. Spin glasses: Experimental facts, theoretical concepts and open questions. // Reviews of Modem Physics. 1986. 58. №4. P.801-976.

21. Imry Y., Ma S. Random-field instability of the ordered state of continuous symmetry. Phys. Rev. Lett. 1975.35. №21. P.1399-1401.

22. Chudnovsky E.M. Magnetic properties of amorphous ferromagnets. // J. Appl. Phys. 1988. 64. P.5770-5775.

23. Gavoille G., HubschJ. Neutron scattering in insulating semi-spin glass. // J. Magn. Magn. Mater. 1983. 36. P.89-94.

24. De Grave E., Dauwe C, Govaert A., De Sitter J. Incomplete magnetic ordering in Fe2(i.y)Mgi+yTiy04 spinels with intermediate composition y. // Appl. Phys. 1977.12. P.131-136. -320-tii

25. Ishikawa Y. Superparamagnetism in the ZnFe204-NiFe204 system. // J. Phys. Soc. Japan. 1962.17. №12. P.1877-1883.

26. MarioNetoJ., Domingues P.H., Barthem V.M.T.S., de Souza Barros F., Guillot M. Magnetic properties of lithium ferrite doped with aluminum and gallium. // J.Appl.Phys. 1984. 55. №6. P.2338-2339.

27. Ray A., BhowmikR.N., Ranganathan R., Roy A., GhoseJ., Chaudhary S. Magnetic ordering in Fe2-xZnxMo04 (x=0.1 - 1) spinel. // J. Magn. Magn. Mater. 2001 223. P.39-49.

28. Dormann J.L., Harfaoui M.EL, Nogues M., Jove J. Relaxation of the transverse spin component in randomly canted Li-Ti ferrite below TN. // J. Phys. C: Solid State Phys. 1987. 20. P.L161-L166.

29. Muraleedharan K., Srivastava J.K., MaratheV.R., Vijayaragharan R. On the re-entrant magnetism in the insulating diluted spinel Coo.5Zno.5Fe204. // J. Phys. C: Solid State Phys. 1985.18. P.5355-5359.

30. BaraJ.J. Pedziwiatr A.T., StadnikZ.M., SzytulaA., TodorovicJ., Tomkowicz Z., Zarek W. Investigation of Crystal and Magnetic Properties of Nickel Ferrite-Aluminates. // Phys. Stat. Sol. (a). 1977. 44. P.325-331.

31. MuraleedharanK., SrivastavaJ.K., MaratheV.R., VijayaraghavanR. On the magnetic ordering in the insulating spinel Gao.8Feo.2NiCr04 with the A sublattice diluted to below the percolation threshold. // Solid State Commun. 1985.55.№4.P.363-366.

32. Srivastava J.K., JehannoG., Muraleedharan K., Kulkami J.A., MaratheV.R., Darshane V.S., Vijayaraghavan R. Magnetic behaviour of the mixed spinel ferrite GaxFei.xNiCr04. // J. Magn. Magn. Mater. 1987. 67. P.43-48.

33. Hubsch J., GavoiUe G. Semi-spin-glass behavior in the Co2Ti04 compound. // Phys. Rev. B. 1982. 26. P.3815-3823.

34. Султанов Г.Д., Сеидов З.Ю. Мессбауэровские исследования CoGa2.xFex04 (х=0.8, 1). // Физика низких температур. 1996. 22. №4. 458-459.

35. Seidov Z., Sultanov G., Ibragimov S,, Kaplienko A. Magnetic and Mossbauer Investigations of CoGa2.xFex04. // 1997. J.PHYS. IV FRANCE. 7. P.C 1-265 --321 -'Ы с 1-266.

36. Iyengar Р.К., Bhargava S.C, Spin fluctuations in Coo.5Zno.5Fe204 using the Mossbauer effect. // Phys. Stat. Sol. (b). 1971. 46. № l. p. 117-124.

37. Hiti M.A.El. DC conductivity for ZnxMgo.8.xNio.2Fe204 ferrites. // J. Magn. Magn. Mater. 1994.136. P.138-142.

38. Белов K.n., ГорягаА.Н., Кокорев А.И. Об аномальном поведении магнитокаллорического эффекта при фазовом переходе миктомагнетизм -"спиновое стекло". ФТТ. 1984. 26. №3. 876-877.

39. Yunus S.M., Ahmed F.U., Asgar М.А. Probing of magnetic spin clusters in he spinel oxide compound Coo.8Mno.2Al1.6Feo.4O4. // J. Alloys Compd. 2001. 315. P.90-94.

40. NoguesM., Dormann J.L., Teillet J., VillerG. Randomly canted structures in the ferrite ZnxMgi.xFe204. // J. Magn. Magn. Mater. 1992 104-107. P.415-416.

41. PatilS.A., MahajanV.C, PatilM.G., GhatageA.K., Lotke S.D. "Effect of Si/Ti substitution on magnetic properties of cobalt-cadmium ferrite. // J. Mater. Sci. 1999.34.P.6081-6086.

42. Chandrasekaran G., Sebastian P.N. Magnetic study of ZnxMgi.xFe204 mixed ferrites. // Mater. Lett. 1998. 37. P. 17-20.

43. Mane D.R., Devatwal U.N., Jadhav K.M. Structural and magnetic properties of aluminium and chromium co-substituted cobalt ferrite. // Mater. Lett. 2000. 44. P.91-95.

44. Srivastava J.K., Muraleedharan K., Vijayaraghavan R Anomalous Mossbauer 1.ineshapes in Mixed Spinel Ferrite Gao.6Feo.4NiCr04. // Phys. Stat. Sol. (b). 1987.140. P.K137-K139.

45. ShuklaS.J., Jadhav K.M., BichileG.K. Influence of Mg^^ substitution on magnetic properties of Co-Fe-Cr-0 spinel ferrite system. // J. Magn. Magn. Mater. 1999.195. P.692-698.

46. Пахомова Н. Л., Дзержкович Н.Б., Козлов В.А., Государева Н.А. Магнитострикция Mn-Zn ферритов и ее особенности. // V Всероссийская научная конференция «Оксиды. Физико-химические свойства», г, Екатеринбург, 2000 г. Сборник трудов. 385-388.

47. Гридасова Т.Я. Исследование магнитных свойств замещенных ферритов- шпинелей. // Кандидатская диссертация. М. 1970. 156 с.

48. Доценко B.C. Физика спин-стекольного состояния. УФЫ. 1993. 163. №6. 1-37.

49. MirebeauL, lancuG., GavoiUeG., HubschJ. Neutron diffraction in a frustrated ferrite. // J. Magn. Magn. Mater. 1995.140-144. P.1775-1776.

50. MuraokaY., TabataH., KamaiT. Photoexcited spin-glass state in (Mg,Fe){Mg,Fe,Ti}04 spinel ferrite films. // J. Appl. Phys. 2000. 88. P.7223-7229.

51. KimC.S., KoH.M., Lee W.H. Site preference for Zn^^ and Ge'*^ in mixed ferrite ZnxGei.xFe204. // J. Appl. Phys. 1993. 73. P.6298-6300.

52. Chukalkin Yu.G., Goshchictckii B.N., Dubinin S.F., Sidorov S.K., PetrovV.V., Parhomenko V.D., VologinV.G. Radiation Effects in Oxide Ferrimagnets. // Phys. status solidi (a). 1975. 28. № 2. P.345-354.

53. Чукалкин Ю.Г., Штирц B.P., Гошицкий Б.Н. Антиферро-ферримагнитное превращение при кластерном разупорядочении ZnFe204. // ФТТ. 1988. 30. №11.С.3201-3208.

54. Ермаков А.Е., Юрчиков Е.Е., Елсуков Е.П., Баринов В.А., Чукалкин Ю.Г. Переход «порядок - беспорядок» в при механическом измельчении. // ФТТ. 1982.24. № 7. 1947-1952.

55. Белов К.П., ГорягаА.Н., Кокорев А.И. Особенности магнитной структуры разбавленного феррита Nio.2Zno.8Fe204. ЖЭТФ. 1984. 87. №1(7). 264-268.

56. Hiti М.А.Е1. Electrical Resistivity at yhe Curie Point for Some Mixed Ferrites. // Phys. Stat. Sol. (a). 1995.147. P.K25-K26.

57. Doroshev V.D,, KlochanV.A., KovtunN.M., SeleznevV.N. Hyperfine Magnetic fields and Electric Field Gradient at the Nuclei of Diamagnetic Gallium Ions in Lithium Ferrite Gallates. // Phys. stat. sol. (a). 1974. 26. P.77-88.

58. Bhargava S.C, ZemanN. Mossbauer study of Nio.25Zno.75Fe204. I. Spin fluctuations.//Phys. Rev. B. 1980. 21. P.1717-1725.

59. Chukalkin Yu.G., VologinV.G., Goshchictckii B.N., Dubinin S.F., Petrov V.V., Parhomenko V.D., Sidorov S.K. // Magnetic Transformation and p-n Transition in Nickel-Zinc Ferrite Induced by a Neutron Field. Phys. status solidi (a). 1974.23. P.K159-K161.

60. Lee S.H., Chae K.P., Lee Y.B., Oh K.S. Mossbauer study of РегОз-САЬОзХ- (CuO)i.x system". Solid stat. Commun. 1990. 74. P. 1-4.

61. Antic В., Rodic D., Telgren R., Rundlof H. Neutron diffraction study of the magnetic and structure properties of C02.50Sbo.50O4 spinel. // J. Magn. Magn. Mater. 2000.219. P.41-44.

62. Сыркин Д.Л. Изучение магнитоупругого эффекта в ферритах. // Известия АН СССР. Сер. Физ. 1959. 23. №3. 414-415.

63. Белов К.П. Ферриты в сильных магнитных полях. М.: Наука, 1972. 200 с.

64. Пахомова Н.Л., Кристов Ф., Кириллов А., Сердобольский А.В. Определение температуры магнитного фазового перехода и типа магнитного упорядочения в диамагнитно-замещенных ферритах. // ФТТ. \ ^ 1988. 30. №2. 520-524.

65. Смит Я., Вейн X. Ферриты. М.: ИЛИ, 1962. 504 с.

66. Крупичка Физика ферритов и родственных им магнитных окислов. М.: Мир, 1976. т. 1.353 с.

67. Антошина Л.Г., Митинская Т.В. Магнитные свойства системы медных ферритов-алюминатов. ФТТ. 1986. 28. №6. 1893-1896.

68. Белов К.П., Антошина Л.Г., Митинская Т.В. Исследование кристаллической структуры медных ферритов-алюминатов. // IX Всероссийская школа-семинар «Новые магнитные материалы для микроэлектроники», Саранск, 9-16 сентября 1984. Тезисы докладов. 44-45.

69. Antoshina L.G., Belov К.Р. Crystallographic structure and magnetic properties of system CuFe2.xAlx04. X International symposium on the Jahn-Teller effect, Kishinev, September 26-29,1989, USSR, abstracts. P. 10-11.

70. Антошина Л.Г., Куьсуджанова E.H. Исследование магнитных свойств ферритов системы CuGaxAlxFe2.2x04. // XV Всероссийская школа-семинар «Новые магнитные материалы микроэлектроники», 18-21 июня 1996г, Москва, тезисы докладов. Р.361-362.

71. Антошина Л.Г. Исследование ферритов шпинелей с фрустрированной 'TW магнитной структурой. // Научная конференция: Ломоносовские чтения. Секция физики, апрель 2002 г.. Сборник расширенных тезисов докладов. 102-106.

72. Большова К.М., Елкина Т.А. Об аномалиях магнитных свойств марганец- цинковых ферритов в районе температуры Кюри, // Вестн. МГУ. Сер.мат.,мех., астрон., физ., химич. 1957. №2. 95-101.

73. Белов К.П., ГорягаА.Н. Влияние структурных особенностей ферромагнетиков на температурный ход спонтанной намагниченности. // Известия АН СССР. Сер. Физическая. 1957. T.XXI. №8. 1038-1048.

74. Антошина Л.Г., ГорягаА.Н., Камзолов Е. А., Кукуджанова Е.Н. О природе низкотемпературных переходов в феррите CuFe204. ЖЭТФ. - 3 2 5 -* ч^