Теоретическое исследование динамики решетки и структурных фазовых переходов в манганитах со структурой перовскита и в феррите висмута тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Павловский, Максим Сергеевич

• Павловский, Максим Сергеевич
• кандидат физико-математических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Павловский, Максим Сергеевич

Оглавление.

Введение.

Глава 1. Исследования манганитов.

1.1. Исследования динамики решетки и структуры манганитов (обзор).

1.2. Метод расчета.

Глава 2. Динамика кристаллической решетки соединений 1,аМпОз, СаМпОз и 8гМпОэ. Структурный фазовый переход типа смещения в соединениях ЬаМпОэ И СаМпОз.

2.1. Динамика решетки соединений ЬаМпОз, СаМпОз и БгМпОз.

2.2. Структурные фазовые переходы в кристаллах ЬаМпОз и СаМпОз.

Глава 3. Динамика кристаллической решетки и структурный фазовый переход типа смещения в твердых растворах Га(1Х)СахМп03 и Ьа(1х)8гхМп03 (х = 0.25, 0.5, 0.75).

3.1. Динамика решетки твердых растворов в кубической фазе.

3.2. Динамика решетки твердых растворов в искаженных фазах.

3.3. Структурные фазовые переходы в кристаллах Ьа(1.х)СахМпОз.

Глава 4. Динамика решетки и сегнетоэлектрическая неустойчивость под гидростатическим давлением в мультиферроике В1Ге03.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теоретическое исследование динамики решетки и структурных фазовых переходов в манганитах со структурой перовскита и в феррите висмута»

Объект исследования и актуальность темы.

Физические свойства манганитов, оксидных материалов на основе Мп, оказываются настолько богатыми и разнообразными, что это само по себе вызывает интерес к ним как экспериментаторов, так и теоретиков. Фазовые диаграммы и физические свойства твердых растворов в некоторых соединениях кардинально меняются при изменении концентрации компонент раствора. Например, Ьа(1Х)СахМпОз при концентрациях 0.2<х<0.48 испытывает переход металл-диэлектрик, а при других концентрациях остается диэлектриком. Кроме того, в зависимости от состава, как чистые соединения, так и их твердые растворы испытывают разнообразные структурные фазовые переходы, и физические свойства существенным образом зависят от искажений кристаллической решетки. Важную роль в формировании необычных свойств манганитов играют колебания кристаллической решетки и информация о фононном спектре этих соединений важна для понимания их свойств.

На ровне с манганитами также в последние годы особый интерес исследователей привлекают соединения другого класса - окислы со структурой перовскита, содержащие магнитные ионы, так называемые мультиферроики. В таких материалах наряду со структурными переходами (особый интерес представляют сегнетоэлектрические переходы) имеются магнитные фазовые переходы, и здесь появляется возможность приложением внешнего электрического поля воздействовать на магнитную систему и наоборот, внешним магнитным полем можно воздействовать на решеточные степени свободы.

Первопринципные расчеты свойств кристаллов являются одним из актуальных направлений в физике твердого тела, поскольку в результате этих расчетов появляется возможность объяснять и предсказывать физические свойства материалов. Что касается твердых растворов, то такие расчеты в принципе позволяют определять оптимальный химический состав соединений обладающих нужными для практических приложений свойствами.

В связи с вышеизложенным, целью диссертационной работы является теоретическое исследование динамики кристаллической решетки кубической и искаженных фаз в манганитах со структурой перовскита и феррите висмута в рамках обобщенного метода Гордона-Кима с учетом дипольной и квадрупольной поляризуемостей ионов, расчет структурных фазовых переходов в этих соединениях.

Научная новизна и практическая значимость определяется тем, что в рамках обобщенной модели Гордона-Кима впервые был проведен расчет динамики решетки кубической и искаженных фаз твердых растворов манганитов и исследована зависимость сегнетоэлектрической нестабильности от гидростатического давления феррита висмута в кубической и ромбоэдрической фазах.

Структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Павловский, Максим Сергеевич

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. В.И. Зиненко, М.С. Павловский, Динамика решетки и фазовый переход из кубической в тетрагональную фазу в кристалле ЬаМпОз в модели поляризуемых ионов // ФТТ. - 2007. - Т. 49. - вып. 9. - С. 1668-1675.

2. В.И. Зиненко, М.С. Павловский, Динамика решетки В1РеОэ: нетипичное поведение сегнетоэлектрической неустойчивости под гидростатическим давлением // Письма в ЖЭТФ. - 2008. - Т. 87. - вып. 6.-С. 338-342.

3. В.И. Зиненко, М.С. Павловский, Динамика решетки В1РеОз под гидростатическим давлением // ФТТ. - 2009. — Т. 51. - вып. 7. — С. 1328-1332.

Заключение

Таким образом, в данной работе в рамках обобщенного метода Гордона-Кима с учетом дипольной и квадрупольной поляризуемости ионов были произведены расчеты динамики решетки и структурных свойств твердых растворов манганитов и феррита висмута.

Ниже приводятся основные результаты работы:

1. Были выполнены расчеты динамики решетки, динамических зарядов Борна, высокочастотной диэлектрической проницаемости соединений Ьа(1х)СахМпОз и Ьа(1х)8гхМпОз (х = 0, 0.25, 0.5, 0.75, 1) в кубической фазе. Обнаружено, что все исследуемые соединения, кроме манганита стронция, имеют нестабильные моды колебания по всей зоне Бриллюэна и наиболее нестабильными являются моды Ы25 и Мз в граничных точках зоны ЯиМ соответственно. В манганите стронция мнимые моды присутствуют только в окрестности граничных точек Я и М.

2. Найдены параметры решетки и координаты атомов, соответствующие минимуму полной энергии, искаженных фаз всех исследуемых соединений. Последующий расчет динамики этих соединений показал стабильность полученных искаженных структур. Полученные результаты находятся в хорошем согласии с имеющимися экспериментальными данными. На основе расчета динамики кристаллической решетки, были построены плотности фононных состояний стабильных фаз рассматриваемых манганитов и вычислены температурные зависимости решеточной теплоемкости.

3. Методом Монте-Карло с использованием модельного гамильтониана в приближении локальной моды произведена оценка температур фазовых переходов в исследуемых соединениях. Для соединения манганита кальция получена температура фазового перехода в кубическую фазу, которая составила 1460 К, что удовлетворительно согласуется с экспериментальной температурой 1193 К, в остальных соединениях вычисленные температуры переходов в кубическую фазу в зависимости от состава лежат в пределах от 3000К до 10000К.

4. Исследована динамика кристаллической решетки феррита висмута в кубической и искаженных фазах. Получено нетипичное поведение «мягкой» сегнетоэлектрической моды под гидростатическим давлением, а именно в отличие от классических сегнетоэлектриков, где эта мода резко подавляется давлением, здесь величина полярной нестабильной моды не изменяется вплоть до высоких давлений.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Павловский, Максим Сергеевич, 2009 год

1. Е. О. Wollan, W.C. Koehler, Neutron diffraction structure of the magnetic properties of the series of perovskite-type compounds (l-x)La, хСа.МпОз // Phys. Rev. 1955.-V. 100.-P. 545

2. S. Jin, T. Tiefel, M. McCormak, R. Fastnacht, R. Ramesh, L. Chen // Science. -1994.-V. 264.-P. 413

3. М.Ю. Каган, К.И. Кугель, Неоднородные зарядовые состояния и фазовое расслоение в манганитах // УФН. 2001. - Т. 171, № 6. - С. 577

4. Ю.А. Изюмов, Ю.Н. Скрябин, Модель двойного обмена и уникальные свойства манганитов // УФН. 2001. - Т. 171, № 2. - С. 121

5. В.М. Локтев, Ю.Г. Погорелов, Особенности физических свойств и колоссальное магнитосопротивление манганитов // ФНТ. — 2000. Т. 26, № 3. - С. 231

6. М.В. Salamon, M. Jaime, The physics of manganites: structure and transport // Rev. Mod. Phys. 2001. - V. 73. - P. 583

7. C. N. R. Rao, Anthony Arulraj, A.K. Cheetham, Bernard Raveau, Charge ordering in the rare earth manganates: the experimental situation // J. Phys.: Condens. Matter. 2000. - V. 12. - P. R83

8. Jacqueline B.A.A. Elemans, B. Van Laar, K.R., Der Veen, B.O. Loopstra, The crystallographic and magnetic structures of La(i x)BaxMn( i x)Mex03 (Me = Mn or Ti) // J. Solid State Chem. 1971. - V. 3: - P. 238

9. Q. Huang, A. Santoro, J.W. Lynn, R.W. Erwin, J.A. Borchers, J.L. Peng, R.L. Greene, Structure and magnetic order in undoped lanthanum manganite // Phys. Rev. B. 1997. - V. 55. - P. 14987

10. M.V.Abrashev, A.P. Litvinchuk, M.N. Iliev, R.L. Meng, V.N. Popov, V.G. Ivanov, Comparative study of optical phonons in the rhombohedrally distorted perovskites LaA103 and LaMnQ3 // Phys. Rev. B. 1999. - V. 59. - P. 4146

11. А.Г. Рудская, Н.Б. Кофанова, JI.E. Пустовая, Б.С. Кульбужев, М.Ф. Куприянов, Фазовые переходы марганецсодержащих перовскитов // ФТТ. 2004. - Т. 46, вып. 10. - С. 1856

12. J. Rodriguez-Carvajal, М. Hennion, F. Moussa, A.H. Moudden, Neutron-diffraction study of the Jahn-Teller transition in stoichiometric ЬаМпОз // Phys. Rev. B. 1998. - V. 57. - R3189

13. M.N. Iliev, M.V. Abrashev, H.-G. Lee, V.N. Popov, Y.Y. Sun, C. Thomsen, R.L. Meng, C.W. Chu, Raman spectroscopy of orthorhombic perovskitelike YMn03 and LaMn03 // Phys. Rev. B. 1998. - V. 57. - P. 2872

14. Fedorov, J. Lorenzana, P. Dore, G. De Marzi, P. Maselli, P. Calvani, S.-W. Cheong, S. Koval, R. Migoni, Infrared-active phonons of LaMn03 and СаМпОз // Phys. Rev. B. 1999. - V. 60. - P. 11875

15. A.E. Никифоров, С.Э. Попов, Динамика решетки LaMn03: связь решеточных и орбитальных степеней свободы // ФТТ. — 2001.- Т. 43, вып. 6.-С. 1093

16. Н. Taguchi, М. Nagao, Т. Sato, М. Shimada, High-Temperature Phase Transition of СаМпОз // J. Solid State Chem. 1989. - V. 78. - P. 312

17. Qingdi Zhou, Brendan J. Kennedy, Thermal expansion and structure of orthorhombic СаМпОз // J. Phys. Chem. Solids. 2006. - V. 67. - P. 1595

18. R. Sondena, P. Ravindran, S. Stolen, T. Grande, M. Hanfland, Electronic structure and magnetic properties of cubic and hexagonal SrMn03 // Phys. Rev. B. -2006. — V. 74.-P. 144102

19. A. Sacchetti, M. Baldini, P. Postorino, C. Martin, A. Maignan, Raman spectroscopy on cubic and hexagonal SrMn03 // J. Raman Spectrosc. 2006. -V.37.-P. 591

20. R. Sondena, S. Stolen, P. Ravindran, T. Grande, Heat capacity and lattice dynamics of cubic and hexagonal SrMn03: calorimetry and density functional theory simulations // Phys. Rev. B. 2007. - V. 75. - P. 214307

21. L. Rormark, K. Wiik, S. Stolen, T. Grande, Oxygen stoichiometry and structural properties of Ьа(1.Х)АхМпОз (A = Ca or Sr and 0 < x < 1) // J. Mater. Chem. -2002. V. 12.-P. 1058

22. P.M. Woodward, T. Vogt, D.E. Cox, A. Arulraj, C.N.R. Rao, P. Karen, A.K. Cheetham, Influence of cation size on the structural features of Ьп^АшМпОз perovskites at room temperature // Chem. Mater. 1998. - V. 10. - P. 3652

23. M. Pissas, I. Margiolaki, G. Papavassiliou, D. Stamopoulos, D. Argyriou, Crystal and magnetic structure of the La(1.X)CavMn03 compound (0.11 < x < 0.175)//Phys. Rev. B.-2005.-V. 72.-P. 064425

24. P.G. Radaelli, D.E. Cox, M. Marezio, S.-W. Cheong, P.E. Schiffer, A.P. Ramirez, Simultaneous structural, magnetic, and electronic transitions in La(i x)CaxMn03 with x = 0.25 and 0.50 // Phys. Rev. Lett. 1995. - V. 75. - P. 4488

25. P.G. Radaelli, D.E. Cox, M. Marezio, S.-W. Cheong, Chsrge, orbital, and magnetic ordering in Ьа0.5Сао.5МпОз // Phys. Rev. B. 1997. - V. 55. - P. 3015

26. E.E. Rodriguez, Th. Proffen, A. Llobet, J.J. Rhyne, J.F. Mitchell, Neutron diffraction study of average and local structure in Ьа05Са0.5МпО3 // Phys. Rev. B. 2005. - V. 71. - P. 104430

27. M. Pissas, G. Kallias, Phase diagram of the La(iX)CaxMn03 compound (0.5 < x < 0.9) // Phys. Rev. B. 2003. - V. 68. - P. 134414

28. P.G. Radaelli, D.E. Cox, L. Capogna, S.-W. Cheong, M. Marezio, Wigner-crystal and bi-stripe models of the magnetic and crystallographic superstructures of La0.333Ca0.667MnO3 // Phys. Rev. B. 1999. - V. 59. - P. 14440

29. M. Pissas, I. Margiolaki, K. Prassides, E. Suard, Crystal and magnetic structural study of the Laa.x)CaxMn03 compound (x = 3/4) // Phys. Rev. B. 2005. - V. 72.-P. 064426

30. C.D. Ling, E. Granado, J.J. Neumeier, J.W. Lynn, D.N. Argyriou, Inhomogeneous magnetism in La-doped CaMn03. I. Mesoscopic phase separation due to lattice-coupled ferromagnetic interactions // Phys. Rev. B. -2003.-V. 68.-P. 134439

31. M. Pissas, G. Kallias, M. Hofmann, D.M. Tobbens, Crystal and magnetic structure of the La(i.X)CaxMn03 compound (x = 0.8, 0.85) // Phys. Rev. B. -2002.-V. 65.-P. 064413

32. D.P. Kozlenko, L.S. Dubrovinsky, I.N. Goncharenko, B.N. Savenko, V.I. Voronin, E.A. Kiselev, N.V. Proskurnina, Pressure-induced monoclinic distortion and charge and orbital ordering in LaojCao.sMnC^ // Phys. Rev. B. -2007.-V. 75.-P. 104408

33. E. Liarokapis, Th. Leventouri, D. Lampakis, D. Palles, J.J. Neumeier, D.H. Goodwin, Local lattice distortions and Raman spectra in La(iX)CaxMn03 system // Phys. Rev. B. 1999. - V. 60. - P. 12758

34. E. Granado, N.O. Moreno, A. Garcia, J.A. Sanjurjo, C. Rettori, I. Torriani, S.B. Oseroff, J.J. Neumeier, K.J. McClellan, S.-W. Cheong, Y. Tokura, Phonon Raman scattering in R(1.x)AxMn03 (R = La, Pr; A = Ca, Sr) // Phys. Rev. B. -1998.-V. 58.-P. 11435

35. M.N. Iliev, M.V. Abrashev, V.N. Popov, V.G. Hadjiev, Role of Jahn-Teller disorder in Raman scattering of mixed-valence manganites // Phys. Rev. B. -2003.-V. 67.-P. 212301

36. M.V. Abrashev, J. Backstrom, L. Borjesson, M. Pissas, N. Kolev, M.N. Iliev, Raman spectroscopy of the charge- and orbital-ordered state in La0 sCao.sMnOs // Phys. Rev. B. 2001. - V. 64. - P. 144429

37. M.N. Iliev, M.V. Abrashev // J. Raman Spectrosc. 2001. - V. 32. - P. 805

38. F. Gao, R.A. Lewis, X.L. Wang, S.X. Dou, Far-infrared reflection and transmission of La(ix)CaxMn03 // J. Alloys and Сотр. 2002. - V. 347. - P. 314

39. J.F. Mitchell, D.N. Argyriou, C.D. Potter, D.G. Hinks, J.D. Jorgensen, S.D. Bader, Structural phase diagram of La(ix)SrxMn03: relationship to magnetic and transport properties // Phys. Rev. B. 1996. - V. 54. - P. 6172

40. B.C. Гавико, A.B. Королев, B.E. Архипов, Н.Г. Бебенин, Я.М. Муковский, Рентгеновские исследования Структуры перовскитных манганитов системы (La,Sr)Mn03 // ФТТ. 2005. - Т. 47, вып. 7. - С. 1255

41. A. Urushibara, Y. Moritomo, T. Arima, A. Asamitsu, G. Kido, Y. Tokura, Insulator-metal transition and giant magnetoresistance in La(i.X)SrxMn03 // Phys. Rev. B. 1995. - V. 51. - P. 14103

42. H. F. Li, Y. Su, J. Persson, P. Meuffels, J.M. Walter, R. Skowronek, Th. Bruckel, Correlation between structural and magnetic properties of La7/8Sr1/8Mn03 with controlled nonstoichiometry // J. Phys.: Condens. Matter. — 2007.-V. 19.-P. 016003

43. O. Chmaissem, B. Dabrowski, S. Kolesnic, J. Mais, J.D. Jorgensen, S. Short, Structural and magnetic phase diagrams of La(ix)SrxMn03 and Pr(i.y)SryMn03 // Phys. Rev. B. 2003. - V. 67. - P. 094431

44. В. Кон, Электронная структура вещества — волновые функции и функционалы плотности // УФН. 2002. - Т. 172, № 3. - С. 336

45. W. Kohn, L. Shem, Self-consistent equation including exchange and correlation effects // Phys. Rev. 1965. - V. 140, № 4. - P. 1133

46. L. Hedin, S. Lundqvist, Explicit local exchange-correlation potentials // J. Phys. C. 1971. - V. 4, № 4. - P. 2064

47. R.G. Gordon, Y.S. Kim, Theory for the forces between closed-shell atoms and molecules // J. Chem. Phys. 1972. - V. 56, № 6. - P. 3122

48. Е.Г. Максимов, В.И. Зиненко, Н.Г. Замкова, Расчеты физических свойств ионных кристаллов из первых принципов // УФН. 2004. - Т. 174, № 11.-С. 1145

49. G.D. Mahan, Modified Sternheimer equation for polarizability // Phys. Rev. A.- 1980. V. 22, № 5. - P. 1780

50. M. Борн, К. Хуан, Динамическая теория кристаллических решеток. — М.: ИЛ, 1958.-488с.

51. В.И. Зиненко, Н.Г. Замкова, С.Н. Софронова, Динамика решетки кристаллов кгиаашб, K3A1Fö и Na3AlF6 со структурой эльпасолита // ЖЭТФ. 1998. - Т. 114, вып. 5. - С. 1742

52. Т. Negas, R.S. Roth // J. Solid State Chem. 1970. - V. 1. - P. 409

53. P.D. Battle, T.C. Gibb, C.W. Jones // J. Solid State Chem. 1988. - V. 74. - P. 60

54. K.C. Александров / Под ред. A.T. Анистратова, Б.В. Безносикова, H.B. Федосеева. Фазовые переходы в кристаллах галоидных соединений АВХ3.- Новосибирск: Наука СО РАН, 1981.- 264с.

55. M.E. Lines, Statistical theory for displacement ferroelectrics // Phys. Rev. -1969.-177, №2.-P. 797

56. В.И. Зиненко, Н.Г. Замкова, Теория структурного фазового перехода Fm3m I4/m в кристалле Rb2KScF6 // ЖЭТФ. 2000. - Т. 118, вып. 2. - С. 359

57. Методы Монте-Карло в статистической физике / под ред. К.Биндера, М.: Мир, 1982.-400с

58. Soo Hyun Park, Yoon-Hee Jeong, Ki-Bong Lee, S.J. Kwon, Specific heat and resistivity of a double-exchange ferromagnet Ьа0 7Сао.зМпОз // Phys. Rev. B. -1997.-V. 56.-P. 67

59. S. Cox, J.C. Lashley, E. Rosten, J. Singleton, A.J. Williams, P.B. Littlewood, Evidence for the charge-density-wave nature of the stripe phase in manganites // J. Phys.: Condens. Matter. 2007. - V. 19. - P. 192201

60. Г.А. Смоленский, В. Юдин, E. Шер // ЖЭТФ. 1962. - Т. 43. - С. 877

61. Y.V. Venevtsev, V.V. Gagulin // Inorg. Mater. 1995. - V. 31. - P. 797

62. F. Kubel, H. Schmid, Structure of a ferroelectric and ferroelastic monodomain crystal of the perovskite BiFe03 // Acta Crystallogr., Sect. B: Struct. Sci. -1990.-V. 46.-P. 698

63. P. Ravindran, R. Vidya, A. Kjekshus, H. Fjellvag, O. Eriksson, Theoretical investigation of magnetoelectric behavior in BiFe03 // Phys. Rev. B. 2006. -V. 74.-P. 224412

64. A. Pashkin, K. Rabia, S. Frank, C. A. Kuntscher, R. Haumont, R. Saint-Martin, J. Kreisel, Pressure-induced phase transitions in the multiferroic perovskite BiFe03 studied by far-infrared micro-spectroscopy // arXiv:0712.0736vl

65. J.B. Neaton, C. Ederer, U.V. Waghmare, N.A. Spaldin, K.M. Rabel, First-principles study of spontaneous polarization in multiferroic BiFeC>3 // Phys. Rev. B. 2005. - V. 71.-P. 014113

66. O. Troyanchuk, N.V. Tereshko, A.N. Chobot, M.V. Bushinsky, K. Bamer, Weak ferromagnetism in BiFeC>3 doped with titanium // Physica B. 2009.

67. А.Г. Гаврилюк, В.В. Стружкин, И.С. Любутин, И.А. Троян, Уравнение состояния и структурный переход при высоком гидростатическом давлении в кристалле BiFe03 // Письма в ЖЭТФ. 2007. - Т. 86. - С. 226

68. A. Kornev, L. Bellaiche, The nature of ferroelectricity under pressure // Phase Trans. 2007. - V. 80. - P. 385

69. E. Bousquet, P. Ghosez, First-principles study of barium titanate under hydrostatic pressure // Phys. Rev. B. 2006. - V. 74. - P. 180101(R)

70. G. A. Samara, T. Sakudo, K. Yoshimitsu, Important Generalization Concerning the Role of Competing Forces in Displacive Phase Transitions // Phys. Rev. Lett. 1975. - V. 35. - P. 1767

71. R. E. Cohen, Origin of ferroelectricity in perovskite oxides // Nature (London). 1992. - V. 358.-P. 136

72. K. Y. Yun, D. Ricinschi, T. Kanashima, M. Noda, M. Okuyama, Giant Ferroelectric Polarization Beyond 150 цС/cm in BiFeOs Thin Film // Jpn. J. Appl. Phys. 2004. - V. 43. - P. L647

73. O.E. Квятковский // ФТТ. 1985. - Т. 27. - С. 2673

74. В.И. Зиненко, Н.Г. Замкова, Е.Г. Максимов, С.Н. Софронова, Динамика решетки и сегнетоэлектрическая неустойчивость в упорядоченных и неупорядоченных твердых растворах PbSci/2Tai/203 и PbSc1/2Nbi/203 // ЖЭТФ. 2007. - Т. 132, вып. 3. - С. 702