Влияние катионных замещений на магнитную микроструктуру и на электронные свойства оксидных магнетиков с ЯН-теллеровскими ионами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Халед Мохамед Ахмед Румих

• Халед Мохамед Ахмед Румих
• кандидат физико-математических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Халед Мохамед Ахмед Румих

введение.

глава 1: катионное распределение, магнитные свойства и явления переноса в оксидных магнетиках со структурой шпинели.

1-1. Кристаллическая структура ферритов-шпинелей.

1-2. Магнитные свойства ферритов-шпинелей.

1-3. Мессбауэровская спектроскопия.

1-3.1 Резонансное мессбауэровское поглощение.

1-3.2 Мессбауэровские параметры.

1-4. Механизм проводимости оксидных магнетиков.

ГЛАВА 2: образцы и методика эксперимента.

2.1 Приготовление образцов.

2-2 Рентгеноструктурный анализ. Аппаратура и методика.

2-3 Гамма-резонансная (мессбауэровская) спектроскопия, аппаратура и методика.

2-3.1 Система движения.

2-3.2 Детекторы.

2-3.3 Криостаты и нагреватели (печи).

2-3.4 Приготовление поглотителей.

2-3.5 Калибровка.

2-3.6 Математическая обработка ГР-спектров.

2-4 Измерения электрических свойств.

2-5 Измерения магнитных свойств.

2-6 Методика металлографических исследований.

ГЛАВА 3: КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ СТРАКТУРА, МАГНИТНЫЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ФЕРРОМАНГАНИТОВ

Ni,.xCuxFeMn04.

3.1 Кристаллическая структура Nix.iCuxFeMn04 ферроманганитов.

3.2 Сверхтонкая структура ГР-спектров ферриманганитов NixiCuxFeMn04.

3.2.1 Мессбауэровские спектры при комнатной температуре.

3.2.2 Мессбауэровские сдвиги при высоких температурах.

3.2.3 Сверхтонкие поля при высоких температурах.

3.3 Магнитные свойства ферроманганитах

Nii.xCuxFeMn04.

3.4 Электрические свойства и катионное распредление ферроманганитов Nii.xCuxFeMn04.

3-5. Результаты металлографического анализа.

ГЛАВА 4: КАТИОННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ В

ФЕРРОМАНГАНИТАХ Nio,8Cuo,2Fe2vMnv04.

4-1. Кристаллическая структура и мессбауэровские спектры ферроманганитов №0,8Си0,2ре2-уМпуО4.

4-2. Магнитные свойства ферроманганитов

Nio,8Cu0,2Fe2-YMnY04.

4-2. Катионное распределение и явления переноса в ферроманганитах Ni0)8Cu0,2Fe2-YMnYO4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние катионных замещений на магнитную микроструктуру и на электронные свойства оксидных магнетиков с ЯН-теллеровскими ионами»

Оксидные соединения железа широко используются в каталитическом синтезе органических и неорганических соединений, для получения магнитных материалов, магнитных носителей информации. Ферриты имеют большее удельное сопротивление, чем металлы, поэтому они используются в высокочастотных устройствах радио, телевидения и других электронных устройствах. Использование ферритов как единиц памяти с быстрыми временами переключения было существенно для развития компьютерной технологии. Ферриты являются важным элементом в микроволновых устройствах. К настоящему времени существует обширная систематизированная информация по макроскопическим магнитным свойствам ферритов [1- 5] и их магнитной микроструктуре.

Однако каких бы успехов ни достигали фундаментальные исследования тех или иных аспектов науки о ферритах, технологии их производства, вопрос об управлении свойствами этих материалов и их воспроизводимости требует разумного, компромиссного сочетания большого числа часто разноречивых требований. Это положение основывается на зависимости свойств ферритов от их фазового состава, кристаллохимического строения, валентного состояния ионов, их распределения в кристаллической решетке, рода и количества дефектов, характера химической связи и др.

Ферриты со структурой шпинели являются удобными объектами для исследования природы магнитного упорядочения, поскольку наличие только двух неэквивалентных кристаллографических и магнитных позиций значительно облегчает анализ экспериментальных данных и позволяет выявить связь магнитной микроструктуры и магнитных свойств. Кроме того, шпинели позволяют достаточно легко осуществлять различные замещения ионов металла, что дает дополнительную возможность для изучения магнитных взаимодействий, для модификации магнитных и электрических свойств.

Целью настоящей работы являлось комплексное исследование твердых растворов ферритов - шпинелей: Nii.xCuxFeMn04 и Nio,8Cuo,2Fe2-YMnY04. Как видно из приведенных химических формул, эти два ряда шпинелидов являются частными разрезами для системы Nii.xCuxFe2-YMnY04, причем для первого ряда безусловно, а для второго ряда при больших величинах крислаллохимического индекса Y следует использовать скорее термин «ферроманганиты». В дальнейшем именно этот термин будет применяться нами для описания свойств объектов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: выполнен синтез образцов; изучено влияние замены ионов Ni 2+ на Си2+ в решётке Nii.xCuxFeMn04 (х = 0 - 1,0) и Fe на Мп в решётке Ni0)8Cu0,2Fe2-YMnYO4 (у = 0 - 1,0) на кристаллическую структуру образцов; исследовано взаимодействие магнитных катионов в ферроманганитах меди-никеля NiixCuxFeMn04 и Nio^Cuo^Fe^.yMriyC^ с помощью эффекта Мессбауэра в широком диапазоне температур (20-600 К); изучены макроскопические магнитные свойства и кинетические явления в ферроманганитах.

Практическая значимость проделанной работы заключается в сопоставлении результатов исследования кристаллической и магнитной микроструктуры и макроскопических магнитных и электрических свойств ферроманганитов меди-никеля. Это позволило получить достоверную информацию о катионном распределении в этих образцах, что необходимо для выбора оптимальных режимов синтеза магнитных материалов с заданными электромагнитными параметрами.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Халед Мохамед Ахмед Румих

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

В ходе выполнения данной работы нами проведен синтез по керамической технологии ферроманганитов Nio,8Cuo,2Fe2-YMnY04 и NiixCuxFeMn04 и исследованы их кристаллическая структура, мессбауэровские спектры, магнитные и электрические свойства в широком диапазоне температур (20-700 К). Комплексные исследования этих двух систем оксидных магнетиков позволили сделать следующие выводы:

1. Установлено, что все образцы обеих систем являются шпинелями с кубической симметрией элементарной ячейки. Об этом говорят данные рентгеноструктурного анализа, а также малая величина квадрупольного расщепления в мессбауэровских спектрах.

2. Эффективные магнитные поля тетра- и окта-подрешеток убывают с ростом содержания меди и марганца в составе образцов, что связано с меньшей величиной магнитных моментов замещающих катионов. Измерения макроскопической намагниченности согласуются с измерениями сверхтонкой структуры мессбауэровских спектров и показывают уменьшение температуры Кюри с ростом содержания меди в системе 1 и с ростом содержания марганца в системе 2.

3. Электрические свойства ферроманганитов - статическая, высокочастотная электропроводность и термоэдс в диапазоне температур 295-520 К хорошо описывается моделью термически-активированных перескоков носителей заряда между центрами локализации.

4. Совместный анализ данных мессбауэровской спектроскопии и результатов исследования электрических свойств позволил предположить, что в большинстве образцов электрически-активными центрами являются октаэдрические катионы трех- и четырехвалентного марганца.

5. При содержании марганца у < 0,5 на формульную единицу в Nio,8Cuo,2Fe2-YMnY04 катионное распределение соответствует полностью обращенной шпинели и электрически-активными центрами будут являться октаэдрические катионы трех- и двухвалентного железа. Появление последних, по-видимому, связано с наличием дефектов в анионной (кислородной) подрешетке. 6. Намагниченность и эффективные магнитные поля для NiFeMn04 и Nio,5Cuo.5FeMn04 в диапазоне температур 0,47 < Т/Тс < 0,92 описываются «законом одной трети».

АВТОРСКИЙ СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

А1. Парфенов В.В. Влияние позиции и степени окисления катионов на электрические и магнитные свойства Ni]xCuxFeMn04 / В.В.Парфенов, X. М. Румих, Р.А.Манапов, Ш.З. Ибрагимов //Неорганические Материалы. -2003. - Т. 39. - № 12. - С. 1517-1521.

А2. Парфенов В.В. Катионное распределение в ферроманганитах Ni1.xCuxFeMn04 и №0,8Си0,2ре2-уМпуО4 со структурой шпинели / В.В. Парфенов, X. М. Румих, Р.А. Манапов, Ш.З.Ибрагимов, А. В.Пятаев, Л. Р. Галеева // Электронный журнал «Исследовано в России». - №170. - С. 18241835, http://zhurna1.ape.relam.ru./articles/2004/l70.pdf

A3. Roumaih Kh., Mossbauer studies of Cui.xNixFeMn04 spinel Ferrites / Kh. Roumaih, R. A. Manapov, E. К Sadykov, and A. V. Pyataev // Journal of Magnetism and Magnetic Materials (In press).

A4. Румех X., Катионное распределение и электронные свойства сложных железо-марганцевых оксидов со структурой шпинели CuxNi!xFeMn04 /, X. Румех, В.В.Парфенов, Р.А.Манапов, //Тезисы международной конференции "Мессбауэровская спектроскопия и ее применения". Санкт-Петербург, 2002, с 162.

А5. Парфенов В.В., Влияние структурного положения и валентного состояния катионов на электрические и магнитные свойства ферроманганитов CuxNi).xFeMn04 со структурой шпинели / В.В.Парфенов,

Р.А.Манапов, X. Румех. // Тезисы международной конференции "Магнитные материалы и их применение". Минск, 2002, с.60-61.

А6. Roumaih Kh., Mossbauer spectral study of the system Nii.xCuxFeMn04 / Kh. Roumaih, E. K. Sadykov R. A. Manapov, and A. V. Pyataev // Abstract of International Conference on the Applications of the Mossbauer Effect (ICAME). Masskat, 2003. P. T8/16.

A7. Халед Румех. Электрические и магнитные свойства системы Си,. xNixFeMnC>4 / Халед Румех, Р.А.Манапов, В.В. Парфенов, Ш.З. Ибрагимов, Э.К. Садыков, А.В. Пятаев // Тезисы IX Международной конференции "Мёссбауэровская спектроскопия и её применения". Екатеринбург, 2004, с 26.

А8. Roumaih Kh., On the Study Properties of the System Cui.xNixFe2-YMnY04 / Kh. Roumaih. R. A. Manapov, V. V. Parfenov, S. Z. Ibragimov and A. V. Pyataev // Abstract « 8-th International Conference on the Solid State physics». Kazakhstan, Almaty-2004, p.438-439.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Халед Мохамед Ахмед Румих, 2004 год

1. Смит Я., Вейн X. «Ферриты» М.; ИЛ. 1962, 504 с.

2. Ситидзе Ю., Сато X., «Ферриты »- М.;Мир, 1964, 408с.

3. Башкиров Ш.Ш., Либерман А.Б., Синявский В.И., «Магнитная микроструктура ферритов» — Казань; изд. КГУ, 1978, 181 с.

4. Метфессель 3., Матисс Д., «Магнитные полупроводники» М.; Мир. 1972 408 с.

5. Нагаев. Э.Л. «Физика магнитных полупроводников» М., Наука, 1979, 432 с.

6. Крупичка С. «Физика ферритов и родственных им магнитных окислов»-М.; Мир, 1976, т. 1, 353с., т.2, 504 е., ил.

7. Вонсовский С. В. «Магнетизм» -М.; Наука, 1971, 1032 с.

8. Летюк JI. М. «Особенности рекристаллизации ферритов»- Порошковая металлургия. 1980, № 5 с. 84-90.

9. Белов К. П.,Успехи физ. Наук. 1993, Т. 163 №5. С 53-66

10. Белов К. П.,Успехи физ. Наук., 1966, Т. 166 №6. С 669-681.

11. CRAIK, D. J., «Magnetic Oxides», by John Wiley and Sons, 1976, 450 p.

12. Попов Г. П., Мень А. Н., Глотов В. Г., Орлов Г. Н., и Богаченко В. В., «Химия и технология оксидных магнитных материалов»- Волгоград, 1975, с. 165.

13. Парфенов В. В., Назипов Р. А., «Влияние темпратуры синтеза на электрофизические свойства ферритов меди» Неорганические материалы, 2002, Т.38, № 1, с. 90-95.

14. Goodenought J. В. «Magnetism & Radio» vol. Ill, Acad. Press, New York -London, 1963

15. Jarrjge J. and Maxmain I., Bull. Soc. Chem. Fr., 1990, v. 127; p. 628.

16. Vandenbeghe R. E., Robbreht G. G. and Brobers, Mater. Res. Bull., 1973, v. 8; p.571.

17. Islam M. S., Catlow C. R.A., J. Phys. Chem. Solid,1988; 49(2); p. 119-123.

18. Brabers V. A. M., Setten F. M. Van and Knapen, P. S. A., J. Solid state chem., 1983, v. 49; p. 93.

19. O'Keeffe M., J. Phys. Chem. Solids, 1961, 21; 172.

20. Boacher В., Buhl R. and Perrin M., Act. Cryst. 1969, p.2326.

21. Boacher, В., Buhl, R. and Perrin, M., J. Phys. Chem. Solids, 1970 v. 31; p.363.

22. Azaroff L. V., Z. Kristallogr. 1959, v. 33, p. 112.

23. De-boer J. H. and Verwey E. J. W., Proc. Phys. Soc. A, 1975; v.59, p.l 19.

24. Goodenough J. В., «Magnetism and the Chemical Bond»- Inter Science and Wiley, Now York, 1963, 200 p.

25. Maitgen G. and Angew Z., Phys. Rev., 1952; V.4; p.716.

26. Muthukumarasam P .N. Т., and Narayanasamy A., J. Phs. C: Solid, 1982, v. 15, p. 157.

27. Qiangmin Wei, and Brian W. Robertson, J. Sol. Sta. Chemistry, 2003, v.76, p. 279-283.

28. Gerardin R., and et al «Distribution cationique dans les ferrites d'indium de type spinelle InMFe04 (M=Ni, Mn, Co, Mg)» J. Sol. Sta. Chemistry, 1988, v. 76, p.398-406.

29. Ata-Allah S.S., Fayek M.K., Refai H. S. and Mostafa M. F., «Mossbauer effect study of copper containing nickel-aluminate ferrite» J. Sol. Sta. Chemistry, 2000, v. 149, p. 434-442.

30. Kshivsagar, S. Т., J. Phys. Soc. Japan, 1969; v. 27 № 5; p. 1164-1170.

31. Вертхейм, Г. « Эффект Мессбауэра»- М.; Мир, 1966.

32. Frank С. «Reviews of Mineralogy» 1988, v. 18, p.255-340.

33. Агринская H.B., Матвеев O.A. «Прыжковая проводимость компенсированных кристаллов» CdTe <cl> р-типа. ФТП, 1977, т. 11, № 1, с. 116-119.

34. Alam M.J., Rao S. D., Ramachandran R., Nair N.R., Ramamurti T.V.; «Study of effect of doping and thermal conditions on the microstructure of Mn-Zn ferrites» Proc. Ind. Acad. Sci., 1975, v. 82 A, N3, p. 88-93.

35. Subramanyan K.N., Swedan S.A., «The electrical conductivity in certain nickel ferrites» Phys. Stat. Sol., v. 61 A, №. 2, p. 159-161.

36. Басс Ф. Г., Фельдман Э.П.; «Статистическая теория электропроводности островковых конденсатов металла на диэлектрике» ФТТ, 1977, т. 19, № 3, с. 697-702.

37. Jerhot J., Snejdar V., «Hall effect in polycrystalline semiconductors» Thin Solid Films, 1978, №. 52, p. 379-395.

38. Тарасенко П.Ф., Богатин A.C., Богатина B.H., «Метод определения термоэдс кристаллитов и прослоек поликристаллических веществ» Известия Северо-Кавказского научного центра высшей школы, 1980, № 1, с. 44-46.

39. Летюк JI.M., «Особенности рекристаллизации ферритов» Порошковая металлургия, 1980, № 5, с. 84-90.

40. Журавлев Г.И., «Химия и технология ферритов» -Л.; Химия, 1970, 191 е., ил.

41. Long Wu, Tien-Shou Wu, Chung-Chiang Wei, «Effects of various substitutions on the DC resistivity of ferrites» J. Phys. D., Appl. Phys., 1980, v. 13, №. 2, p. 259-266.

42. Мирошкин В.П., «Зависимость диэлектрических свойств ферритов от температуры» Изв. Ленинградского электротехнического института, 1977, №211, с. 105-108.

43. Univem-Ms version beta program manual, Scientific Reseach Institute of Physics, Rostov- Na- Donu State University, 2001.

44. Батавин B.B., «Контроль параметров поупроводниковых материалов и эпитакссиальных слав»- М.; Сов. Радио, 1976, 107с.

45. Чечерников В.И., «Магнитные Измерения М. »- Изд. МГУ, 1969, 122с.

46. Буров Б.В., Ясонов П.Г., «Введение В дифференциальный. термомагнитный анализ горных пород»- Казань, изд.КГУ, 1979, 160с.

47. А.С. 851293 (СССР), «Коэрцитивный спектрометр», Буров Б.В., Нургалиев Д. К., Ясонов П.Г., Опубл. В. Б. И., №. 28, 1981.

48. Fayek М.К., Ata-Allah S.S., Refai Н. S., «On the cation distribution in NiixCuxFe2-yAly04 spinels», J Appl. Phys. 1999, v. 5, №. 1, p.l.

49. Ata-Allah S.S and Fayek M.K, «Mossbauer effect study of Nii.xCuxFe2.yMny04 system, Hyperfine Interaction», (2000), v. 128, p.467.

50. Eibschultz M., Shtrikman S., and Treves D., «Mossbauer studies of Fe57 in orthoferrites», Phys. Rev. 1967, v. 156, p. 562.

51. Essam J.W., Fisher M. F., «Pade Approximant studies of the lattice gas and ising ferromagnet below the critical point», J. Chem. Phys., 1963, v. 38, p.802.

52. Callen E., and Callen H. В., J. Appl. Phys. 1965, v. 36; p.l 140.

53. Howard D. G., Dunlap B. D. and Dash J. G., «Internal field of Fe57 in Ni in the region of the curie point», Phys. Rev., (1965), v.15, p.625.

54. Zhenxing Yue, Ji Zhou, Zhilum Gui, and Longtu Li., «Magnetic and electrical properties of low temperature sintered Mn- doped NiCuZn ferrite», J. magnetism and magnetic materials, 2003, v. 264, p. 258-263.