Спин-волновые спектры магнитного резонанса в поликристаллических магнетиках тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.17, кандидат физико-математических наук Мартьянов, Олег Николаевич

• Мартьянов, Олег Николаевич
• кандидат физико-математических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Мартьянов, Олег Николаевич

Содержание

Введение

Глава 1. Шумоподобные спектры магнитного резонанса в мелкодисперсных порошках цеолитов

1.1. Методика эксперимента

1.2. Шумоподобные спектры магнитного резонанса в цеолитах

1.3. Химические условия возникновения соединений проявляющих шумоподобное поглощение

1.4. Обсуждение результатов

1.5. Анизотропный спектр ЭПР конечного числа хаотически ориентированных парамагнитных центров

1.6. Эффекты неполного усреднения в ЭПР спектрах модельной системы

1.7. Природа соединений проявляющих шумоподобное поглощение

1.8. Особенности магнитного резонанса в ферромагнетиках

1.9. Обнаружение шумоподобных спектров в поликристаллических ферромагнетиках и сопоставление их с наблюдаемыми в цеолитах

1.10. Влияние ферромагнитных соединений, образующихся в цеолитах при термокислородной обработке на их каталитическую активность

1.11. Заключение

Глава 2. Шумоподобные спектры магнитного резонанса в ферромагнетиках

2.1. Шумоподобные спектры в частично ориентированных порошках у-РегОз

2.2. Магнитный резонанс в ферромагнетиках как возбуждение спиновых волн

2.3. Шумоподобные спектры магнитного резонанса в ферромагнетиках — возбуждение поверхностных спиновых волн

2.4. Заключение

Глава 3. Шумоподобные спектры магнитного резонанса ферромагнитных примесей

3.1. Собственные шумоподобные спектры СВЧ-резонатора радиоспектрометра ЭПР

3.2. Шумоподобные спектры ферромагнитных примесей в других системах

3.3. Заключение

Выводы

Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Спин-волновые спектры магнитного резонанса в поликристаллических магнетиках»

Введение

В основе современных представлений о каталитической активности оксидных катализаторов в реакциях окисления лежат физико-химические данные о состоянии различных форм хемосорбированного и структурированного кислорода в поверхностных слоях. Кислород может встраиваться в решетку оксида или превращать металл в оксид. При восстановлении молекулы Ог до регулярного иона решетки О2- с помощью метода ЭПР изучаются радикальные формы Ог и О", которые обычно рассматриваются в качестве промежуточных соединений участвующих в каталитической реакции [1,2].

Нами обнаружен новый тип спектров СВЧ-поглощения в некоторых оксидах и цеолитных катализаторах, подвергнутых воздействию кислорода, при исследовании данных объектов с помощью спектроскопии ЭПР в условиях, обеспечивающих наблюдение узких линий малой интенсивности. В настоящей работе приводятся результаты исследований этого специфического поглощения.

Заключение диссертации по теме «Химическая физика, в том числе физика горения и взрыва», Мартьянов, Олег Николаевич

Выводы

1. Обнаружен и исследован новый тип спектров магнитного резонанса, характеризующихся неупорядоченной (шумоподобной) тонкой структурой.

2. Показано, что шумоподобные спектры могут возникать в спектроскопии ЭПР поликристаллических образцов в тех случаях, когда степень дисперсности образца недостаточна для усреднения анизотропных взаимодействий. Предложен способ анализа таких спектров.

3. Проведено экспериментальное исследование природы и свойств шумоподобных спектров в цеолитных катализаторах. Показано, что в цеолитах содержащих примеси железа, в ходе термокислородной обработки образуются мелкодисперсные ферромагнитные частицы.

4. Впервые обнаружена тонкая структура неоднородно-уширенных линий ферромагнитного резонанса поликристаллических магнетиков. На примере порошков гамма оксида железа исследованы основные свойства тонкой структуры и обоснован вывод о спин-волновой природе наблюдаемых линий поглощения.

5. Показано, что присутствие ферромагнитных примесей, ответственных за формирование шумоподобного спектра, в исследуемых системах может являться ограничением реальной чувствительности метода ЭПР.

Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю, Валерию Федоровичу Юданову за предложенную тему, постоянную поддержку и участие в работе. Автор также признателен Юрию Николаевичу Молину и Юрию Дмитриевичу Цветкову,чьи советы, критические замечания и помощь во многом способствовали выполнению этой работы.

3.3. Заключение.

Накопленный нами экспериментальный опыт исследования шумоподобных спектров уже на начальном этапе показал, что требуется большая осторожность при их регистрации. По-видимому, шумоподобные спектры могут быть обнаружены в весьма различных системах, указывая на присутствие предельно малых неконтролируемых ферромагнитных примесей. Некоторые примеры приведены в данной главе. В ряде других систем наблюдения носили предварительный характер и пока не обсуждаются. Тем не менее, можно предположить, что проведенные эксперименты дают предпосылки для создания новых аналитических приложений магнитного резонанса.

Магнитное поле, Э

Рис.29. Спектр магнитного резонанса эталона "strong pitch" из комплекта радиоспектрометра ЭПР "Bruker-EMX". На врезке показан увеличенный фрагмент щумоподобного спектра полученный в двух независимых сериях регистрации.

Магнитное поле, Э

Рис.30. Спектр магнитного резонанса тефлонового кристалловращателя из комплекта радиоспектрометра ЭПР "11ас1юрап-8Е/Х". На врезке показан увеличенный фрагмент шумоподобного спектра ферромагнитного резонанса.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Мартьянов, Олег Николаевич, 1998 год

Литература

1. К. Н. Спиридонов, О. В. Крылов, Формы адсорбированного кислорода на поверхности окисных катализаторов, Проблемы кинетики и катализа, 1975, № 16, стр. 7-49.

2. О. В. Крылов, В. А. Мартышак, Промежуточные соединения и механизмы гетерогенных каталитических реакций. Окислительные реакции с участием молекулярного кислорода и серы, Успехи химии, 64, 1995, стр. 177-179.

3. Дж. Рабо, Химия цеолитов и катализ на цеолитах, М., 1980.

4. N. Н. Sagert, R. М. L. Pouteau, М. G. Bailey, F. P. Sardert, Benzene radical cation formation on hydrogen mordenite. The role of adsorbed oxygen, Canad. J. Chem., 50, 1972, pp. 2041-2046.

5. И. M. Локтев, А. А. Слинкин, Исследование спектров ЭПР адсорбированных ион-радикалов как метод изучения окислительно-восстановительных свойств цеолитов, Успехи химии, 45,1976, стр. 1594-1620.

6. А. А. Слинкин, А. В. Кучеров, Радикальные процессы при адсорбции олефинов на цеолитах, Успехи химии, 54, 1985, стр.61-85.

7. А. А. Слинкин, А. В. Кучеров, Д. А. Кондратьев, Т. Н. Бондаренко, А. М. Рубинштейн, X. М. Миначев, Образование радикалов и каталитическая активность цеолитов типа пентасила в превращениях ненасыщенных углеводородов, Кинетика и катализ, 27, 1986, стр.364-369.

8. С. П. Жданов, Е. Н. Егорова, Химия цеолитов, 1968, стр.120-148.

9. J. Stakowski, Р. К. Kahol, N. S. Dalai, J. S. Moodera, Possible Josephson oscillations spectra and electron paramagnetic resonance of Cu2+ in Y-Ba-Cu-O, Phys. Rev. B,36, 1987, pp. 7126-7129.

10. В. Ф. Мастеров, А. И. Егоров, H. П. Герасимов и др., Электронный парамагнитный резонанс и электромагнитные эффекты в системах типа Ме-Ba(Sr)-Cu-0, Письма в ЖЭТФ, 46, стр. 289-292.

11. В. В. Кведер, Т. Р. Мчалидзе, Ю. А. Осипьян, А. И. Шалынин, Особенности СВЧ-потерь сверхпроводящей керамики в магнитном поле, Письма в ЖЭТФ, 46 (приложение), 1987, стр. 176-179.

12. К. W. Blazey, А. М. Porties, F. Н. Holtzberg, Fluxon Nucleation by Microwave Currents in Josephson Junctions, Physica C., 157, 1989, pp. 16-25.

13. A. S. Rneifets, A. I. Veinger, Low-field microwave absorption and quantum oscillations in type-1 superconductors, Physica C, 165,1990, pp. 491-498.

14. В. В. Зырянов, Электронный магнитный резонанс в слабомагнитных диэлектриках, обработанных механическими импульсами, Изв. СО АН СССР, сер. хим., 19, 1988, стр. 9-13.

15. Н. A. Kuska, М. Т. Rogers, R. Е. Drullinger, Effect of Substituents on the Anisotropic Electron Spin Resonance Parameters in Copper Acetylacetonates, J. Phys. Chem., 71, 1967, pp. 109-113.

16. H. Fierz, A. von Zelewsky, Electron Spin Resonance of Copper Bis (dibenzoylmethane). Superhyperfine Anomalies, Inorganic Chemistry, 10, 1971, pp.

1556-1557.

17. P. H. Davids, R. L. Belford, Anomalous Structure in Electron Paramagnetic Resonance Spectra of Poly crystalline Copper Complexes, Inorg. Chem., 10, 1971, pp.

1557-1558.

18. A. A. Shubin and G. M. Zhidomirov, Computer simulations of powder ESR specra. 2mm-band ESR spectrum of di-i-butil nitroxide, J. Struct. Chem., 30, 1989, pp. 67-72.

19. P. Ю. Абдулсабиров, В. M. Винокуров, М. М. Зарипов, В. Г. Степанов, ЭПР ионов Fe3+ в натролите, ФТТ, 9, 1967, стр. 689-690.

20. В. А. Ацаркин, А. В. Францессон, О парамагнитном резонансе иона Fe3+ в натролите, ФТТ, 9,1967, стр. 3352-3353.

21. Дж. Ветц, Дж. Болтон, Теория и практические приложения метода ЭПР, 1975, стр. 169-178.

22. A. Abragam and В. Bleaney, Electron Paramagnetic Resonance of Transition Ions, Claredon Press, Oxford, 1970.

23. С. А. Альтшуллер, Б. M. Козырев, Электронный парамагнитный резонанс соединений элементов промежуточных групп, "Наука", М., 1972.

24. Я. Г. Клява, ЭПР-спектроскопия неупорядоченных твердых тел, "Зинатне", Рига, 1988.

25. М. Peter, Millimeter-Wave Paramagnetic Resonance Spectrum of 6S State Impurity (Fe+++) in MgW04, Phys. Rev., 113, 1959, pp. 801-803.

26. D. M. Bagguley, B. Bleaney, J. H. E. Griffiths, R. P. Penrose and В. I. Plumpton, Paramagnetic Resonance in Salts of the Iron Group — A Preliminary Survey: Experimental Results, Proc. Phys. Soc., 61, 1948, pp. 551-561.

27. A. JI. Бильдюкевич, В. М. Винокуров, М. М. Зарипов, Ю. Е. Польский, В. Г. Степанов, Г. К. Чиркин, Л. Я. Шекун, Электронный парамагнитный резонанс в андалузите, ЖЭТФ, 39, 1960, стр. 1548-1550.

28. М. de Wit and Т. L. Estle, Electron Paramagnetic Resonance of Iron in Gallium Arsenide, 132, 1963, pp. 195-201.

29. Л. С. Корниенко, A. M. Прохоров, Тонкая структура электронного парамгнитного резонанса ионов Fe3+ в решетке АЬОз, ЖЭТФ, 33, 1957, стр. 805807.

30. В. М. Винокуров, М. М. Зарипов, В. Г. Степанов, Г. К. Чиркин, Л. Я. Шекун, Парамагнитный резонанс трехвалентного железа в бенитоните, Журнал структурной химии, 5,1964, стр. 49-52.

31. В. М. Винокуров, М. М. Зарипов, , В. Г. Степанов, Ю. Е. Польский, Г. К. Чиркин, Л. Я. Шекун, Электронный парамагнитный резонанс в естественном хризоберилле, Физика твердого тела, 3, 1961, стр. 2476-2479.

32. Б. В. Падляк, Спектр ЭПР ионов Fe3+ в монокристаллах СазОагОезОп, ФТТ,

33.стр.1851-1853.

33. R. S. de Biasi and М. L. N. Grillo, Influence of Iron Concentration on the electron Spin Resonance Spectrum Fe3+ in Rutile, Journal of Alloys and Compounds, 189, 1992, pp. 201-203.

34. L. S. Singer, D. N. Stamires, Trace Ferromagnetism in Zeolites, J. Chem. Phys., 42,1965, pp. 3299-3301.

35. C. Kittel, On the Gyromagnetic Ratio and Spectroscopic Splitting Factor of Ferromagnetic Substances, Phys. Rev., 76, 1949, pp. 743-748.

36. H. Suhl, Ferromagnetic Resonance in Nickel Ferrite Between One and Two Kilomegacycles, Phys. Rev., 97, 1955, pp. 555-557.

37. J. R. Macdonald, Ferromagnetic Resonance and the Internal Field in Ferromagnetic Materials, Proc. Phys. Soc., A44, 1951, pp.968-983.

38. С. В. Вонсовский, Ферромагнитный резонанс, M., 1961.

39. P. Е. Tannenwald, М. Н. Seavey, Feromagnetic Resonance in Thin Films of Permalloy, Phys. Rev., 105, 1957, p.377-378.

40. C. Kittel, On the Theory of Ferromagnetic Resonance Absorption, Phys. Rev., 73, 1948, pp. 155-166.

41. H. С. Акулов, Ферромагнетизм, ОНТИ, M.—Л., 1939.

I ♦

42. R. F. Pearson, R. W. Teale, A Comparison of Static and Microwave Measurements of Maganese ferrite crystalline Anisotropy in Cobalt Manganese Ferrite, Proc. Phys. Soc., 75,1960, pp. 314-316.

43. D. Polder, J. Smit, Resonance Phenomena in Ferrites, Revs. Mod. Phys., 25, 1953, pp. 89-90.

44. J. O. Artman, Microwave Resonance in Anisotropic Single-Crystal Ferrites, Phys. Rev., 105, 1957, pp. 62-73.

45. A. F. Kip, R. D. Arnold, Ferromagnetic Resonance at Microwave Frequencies in an Iron Single Crystal, Phys. Rev., 75, 1949, pp. 1556-1559.

46. К. H. Reich, Ferromagnetic Resonance Absorption in a Nickel Single Crystal at Low Temperatures, Phys. Rev., 101, 1956, p. 1647-1648.

47. P. E. Tannenwald, Ferromagnetic Resonance in Manganese Ferrite Single Crystals, Phys. Rev., 100, 1955, pp. 1713-1719.

48. P. E. Tannenwald, Multiple Resonances in Cobalt Ferrite, Phys. Rev., 99, 1955, pp. 463-464.

49. D. W. Hearly, R. A. Johnson, Anisotropy Constant and g Value of Nikel Ferrite, Phys. Rev., 104, 1956, p. 634-636.

50. J. L. Snoek, Gyromagnetic Resonance in Ferrites, Nature, 160, 1947, p. 90.

51. E. G. Spencer, R. C. Le Craw, A. M. Clogsten, Low-Temperature Line -Width Maximum in Yttrium Iron Garnet, Phys. Rev. Lett., 3, 1959, p. 32.

52. L. R. Bickford, Ferromagnetic Resonance Absorption in Magnetite Single Crystals, Phys. Rev, 78, 1950, pp. 449-457.

53. R. C. Fletcher, R.S. Le Craw, E. G. Spenser, Electron Spin Relaxation in Ferromagnetic Insulators, Phys. Rev., 117,1960, pp. 955-963.

54. T. L. Gilbert, A Lagrangian Formulation of the Gyromagnetic Equation of the Magnetization Field, Phys. Rev., 100,1955, p. 1243.

55. В. M. Файн, К теории когерентного спонтанного излучения, ЖЭТФ, 36, 1959, стр. 798-802.

56. Г. В. Скроцкий, А. А. Кокин, О влиянии когерентного магнитного дипольного излучения на магнитный резонанс, ЖЭТФ, 37, 1959, стр. 802-804.

57. Г. В. Скроцкий, А. А. Кокин, О возможной роли когерентных явлений в магнитном резонансе, Изв. вузов, Радиофизика, 3, 1960, стр. 650-655.

58. Г. В. Скроцкий, JI. В. Курбатов, К теории анизотропии ширины линии ферромагнитного резонансного поглощения, ЖЭТФ, 35, 1958, стр. 216-220.

59. Н. С. Belson, С. J. Kriessman, Microwave Resonance in Hexagonal Ferrimagnetic Single Crystals, J. Appl. Phys., 30, 1959, pp. 175S-176S.

60. W. A. Yager, J. K. Gait, F. R. Merritt, Ferromagnetic Resonance in Two Nickel-Iron Ferrites, Phys. Rev. 99,1955, pp. 1203-1210.

61. А. И. Пильщиков, Влияние неоднородных размагничивающих полей на ферромагнитный резонанс, Изв. АН СССР, сер. физ., 20, 1956, стр. 1284-1298.

62. R. С. Le Craw, Е. G. Spencer, С. S. Porter, Ferromagnetic Resonance Line Width in Yttrium Iron Garnet Single Crystals, Phys. Rev., 110, 1958, pp. 1311-1313.

63. D. C. Rodbell, Ferromagnetic Resonance of Iron Whisker Grystals, J. Appl. Phys. Suppl., 30, №4, 1959, pp. 187S-188S.

64. S. E. Harrison, H. S. Belson, С. I. Kriessman, Origin of Ferromagnetic Resonance Line Broadening in Manganese-Rich Manganese Ferrites, J. Appl. Phys., 29, 1958, pp. 337-338.

65. E. Schlomann, Spin-Wave Analysis of Ferromagnetic Resonance in Polycrystalline Ferrites, Phys. Chem. Solids, 6,1958, pp. 242-256.

66. E. Schlomann, I. R. Zeeder, Ferromagnetic Resonance in Polycrystalline Nickel Ferrite Aluminate, J. Appl. Phys., 29,1958, pp. 341-343.

67. C. R. Buffler, Ferromagnetic Resonance near the Upper Limit of the Spin Wave Manifold, J. Appl. Phys. Suppl., 30, 1959, pp. 172S-175S.

68. N. Bloembergen, On the Ferromagnetic Resonance in Nickel and Supermalloy, Phys. Rev., 78,1950, pp. 572-580.

69. А. Г. Гуревич, Магнитный резонанс в ферритах и антиферромагнетиках, М., Наука, 1973.

70. В. Ф. Коваленко, Э. JI. Нагаев, Фотоиндуцированный магнетизм, УФН, 148, 1986, стр. 561-602.

71. Г. С. Патрин, Г. А. Петраковский, Н. В. Волков, Магниторезонансные исследования фотоиндуцированного магнетизма в а-РегОз: Со, Si при низких температурах, ФТТ, 30,1988, стр. 1851-1853.

72. P. Yen, Т. S. Stakelon, P. Е. Wigen, Magnetic-Surface Interactions in Thin Yttrium Iron Garnet Films, Phys. Rev. Ser. B, 19, 1979, pp. 4575-4583.

73. Я. Смит, X. Вейн, Ферриты, физические свойства и практические применения, Изд. ин. лит., М., 1962.

74. Е. П. Котов, М. И. Руденко, Носители магнитной записи: Справочник, М., Радио и связь, 1990.

75. F. Bloch, W. W. Hansen, M. Packard, The Nuclear Induction Experimaent, Phys. Rev., 70, 1946, p. 474-485.

76. C. Kittel, Exitation of Spin Waves in a Ferromagnet by a Uniform rf Field, Phys. Rev., 110, 1958, pp. 1295-1297.

77. M. H. Seavey, P. E. Tannenwald, Direct Observation of Spin-Wave Resonance, Phys. Rev. Letters, 1, 1958, pp. 168-169.

78. J. F. Dillon, Magnetostatic Modes in Disks and Rods, J. Appl. Phys., 31, 1960, pp. 1605-1614.

79. P. E. Wigen, Microwave Properties of Magnetic Garnet Thin Films, Thin Solid Films, 114,1984, pp. 135-186.

80. C. JT. Высоцкий, Г. Т. Казаков, А. В. Маряхин, Ю. А. Филимонов, А. С. Хе, Поверхностные магнитостатические волны в обменно-связанных ферритовых пленках, ФТТ, 38, 1996, стр. 407-418.

81. П. Е. Зильберман, А. Г. Темирязев, М. П. Тихомирова, Короткие спиновые волны обменной природы в ферритовых слоях: возбуждение, распространение и перспективы применений, УФН, 165, 1995, стр. 1219-1223.

82. П. Е. Зильберман, А. В. Луговской, А. А. Шарафатдинов, Спин-волновой резонанс и распределение обменных спиновых волн в неоднородных по толщине ферритовых пленках, ФТТ, 37, 1995, стр. 2010-2020.

83. Zhang Tianshu, Luo Hongmei, Zeng Huanxing, et al., Synthesis and gas-sensing characteristics of high thermostability y-Fei03 powder, Sens. Actuators, B, B32(3), pp. 181-184.

84. H. Sesigur, E. Acma, O. Addemir, A. Tekin, The Preparation of Magnetic Iron Oxide, Mater. Res. Bull., 31, 1996, pp. 1573-1579.

85. Г. К. Боресков, Катализ. Вопросы теории и практики. Избранные труды, Новосибирск, 1987, Подвижность кислорода и каталитическая активность окислов в отношении реакций окисления, стр. 55-66.

86. М. Ishikawa, Can Magnetism and Supercoductivity Coexist, Contemp. Phys., 23, 1982, pp. 443-468.

87. И. С. Любутин, Т. В. Дмитриева, Типы и размерность иагнитного порядка в высокотемпературных сверхпроводниках системы YBa2(Cui-xFex)30y, ЖЭТФ, 105, 1994, стр. 954-966.

88. В. Д. Лахно, Усиление спиновых волн в магнитных кристаллах, УФН, 166, 1996, стр. 717-742.