Влияние высокого давления на электронные, оптические и магнитные свойства диэлектриков с переносом заряда тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Троян, Иван Александрович

• Троян, Иван Александрович
• кандидат физико-математических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Троян, Иван Александрович

Введение.

Глава 1: Оксиды d-металлов и переходы металл-диэлектрик литературный обзор)

Глава 2: Экспериментальные методы

2.1 Камеры высокого давления с алмазными наковальнями.

2.2 Оптическая установка для измерения спектров люминесценции, отражения и поглощения при высоких давлениях

2.3 Методика исследования магнитных свойств веществ при высоких давлениях с помощью - ядерного гамма-резонанса: мёссбауэровский спектрометр, установка ядерного резонансного рассеяния вперёд синхротронного излучения.

2.4 Рентгеновская установка

2.5 Методика измерения сопротивления веществ в условиях высокого давления и низких температур.

Глава 3: Исследование оптических, электронных и магнитных свойств монооксида никеля (NiO) при высоких давлениях

3.1 Физические свойства NiO при нормальном давлении

3.2 Методика подготовки образца.

3.3 Уравнение состояния NiO.

3.4 Влияние высокого давления на оптическое поглощение в NiO.

3.5 Гибридизационная теория Андерсона для NiO. Зависимость кулоновской энергии Ueff в NiO от давления.

3.6 Теория Блоха. Зависимость обменного интеграла J в NiO от межионного расстояния.

Глава 4: Исследование фазовых превращений, оптических, электронных и магнитных свойств бората железа (FeB03) при высоких давлениях

4.1 Физические свойства FeB03 при нормальном давлении

4.2 Методика подготовки образца

4.3 Зависимость HFe , IS и QS от давления в FeB03 из Мёссбауэровского и NFS экспериментов.

4.4 Уравнение состояния и изоструктурный фазовый переход в FeB03 при 53 ГПа.

4.5 Переход диэлектрик-полупроводник из экспериментов по электросопротивлению и оптическому поглощению.

4.6 Спиновый кроссовер --»- иона Fe . Барическая зависимость

TN. Теория Блоха. Зависимость обменного интеграла J в FeB03 от межионного расстояния

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние высокого давления на электронные, оптические и магнитные свойства диэлектриков с переносом заряда»

Изучение свойств сильно коррелированных электронных систем (СКЭС) очень важно для понимания природы таких явлений, как например, высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) и системы с гигантским магнитосопротивлением. Для геофизики также огромное значение имеют исследования этих объектов при высоких давлениях. Оксиды переходных металлов (ОПМ) являются одними из характерных представителей систем с сильной электронной корреляцией, в которых в полной мере проявляются явления связанные с нелинейными свойствами электронных взаимодействий в твердом теле. Одними из характерных представителей ОПМ являются магнитные диэлектрики с переносом заряда (ДПЗ). Характерным свойством ДПЗ является наличие фазовых электронных переходов, при которых претерпевают сильное изменение транспортные, электронные и магнитные свойства кристалла, обычно сопровождающихся также изменением кристаллической структуры.

Одним из способов изучения электронных переходов с металлизацией является исследование эволюции спектров оптического поглощения при высоких давлениях в алмазных наковальнях. Этим методом можно, например, обнаружить фазовый переход с резким изменением оптической щели. Кроме того, можно изучать плавное изменение энергий оптических переходов между d-подуровнями иона переходного металла при изменении давления. В настоящей работе такие эксперименты были проведены в монооксиде никеля и позволили сделать заключение, что в NiO нет моттовского перехода диэлектрик-металл до давлений ~80ГПа. Из экспериментов по оптическому поглощению в FeB03 был обнаружен фазовый электронный переход при 46 ГПа со скачкообразным уменьшением оптической щели от величины ~ 3 эВ до -0.7 эВ. Таким образом, было обнаружено, что магнитный и электронный переходы в FeB03 происходят при одном давлении. Электронный переход в борате является переходом типа диэлектрик-полупроводник.

Классическим способом изучения электронных переходов является эксперимент по измерению электросопротивления при высоких давлениях и низких температурах. При измерении электросопротивления в борате железа был обнаружен переход в полупроводниковое состояние с характерной величиной термоактивационной щели порядка 0.5 эВ.

Новейшим способом изучения магнитного состояния кристалла является измерение сверхтонкого магнитного поля (СМП) на ядрах соответствующих изотопов методом мессбауэровской спектроскопии. В данной работе применялись две методики мессбауэровской спектроскопии: классическая на базе измерения энергетических спектров поглощения и новая методика на базе измерения временных спектров распада возбуждённых ядерных состояний. Последняя методика, при резонансном ядерном рассеянии вперед синхротронного излучения (в английской транскрипции Nuclear Forward Scattering - NFS) реализована на синхротроне ESRF(r. Гренобль, Франция, исследовательские станции ID18 и ID22). В настоящей работе были обнаружен фазовый переход с исчезновением магнетизма в антиферромагнитном изоляторе с переносом заряда FeB03.

Были также предприняты исследования уравнения состояния в области фазовых переходов при высоких давлениях методом рентгеновской дифракции в алмазных наковальнях. Были исследованы барические зависимости параметров кристаллической решетки FeB03 до давлений -65 ГПа и обнаружен структурный фазовый переход. Было показано, что структурный переход по давлению отличается от магнитного перехода.

Цель работы.

Целью диссертации является изучение влияния высокого давления на кристаллическую структуру, электронные, оптические, магнитные и транспортные свойства магнитоупорядоченных соединений - антиферромагнитных диэлектриков с переносом заряда: монооксида никеля NiO и бората железа FeB03.

Научная новизна работы.

1. Методом оптического поглощения впервые исследованы электронные свойства антиферромагнитных диэлектриков с переносом заряда: монооксида никеля NiO и бората железа FeB03 в диапазоне давлений до 80 ГПа

2. Впервые методом мёссбауэровского поглощения и NFS-спектроскопии обнаружен и исследован фазовый переход из антиферромагнитного в немагнитное состояние в борате железа FeB03 при давлении 47 ГПа.

3. Впервые методом оптического поглощения и из экспериментов по измерению электросопротивления в камере высокого давления с алмазными наковальнями обнаружен и исследован фазовый переход типа диэлектрик-полупроводник в борате железа FeB03 при давлении 47 ГПа.

4. Впервые в FeB03 обнаружен структурный переход первого рода со скачком объёма элементарной ячейки -9% при давлении ~53 ГПа.

Практическая ценность работы.

На примере исследованных в данной работе магнитных диэлектриков NiO и FeB03 могут быть сделаны обобщения о поведении систем с сильной корреляцией электронов, при изменении параметров решетки под воздействием давления. Перспектива применения бората железа в качестве материала для магнитооптической записи информации обуславливает большой практический интерес к исследованию его электронных и магнитных свойств.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Измерения барических зависимостей в веществе NiO для энергий оптических d-d переходов иона Ni в диапазоне до 80ГПа.

2. Показано, что до давления ~80ГПа в NiO зависимость обменного интеграла J от объема элементарной ячейки кристалла подчиняется соотношению теории Блоха.

3. Обнаружение в FeB03 при давлении 47 ГПа фазового перехода с коллапсом магнитного момента на ионе Fe при комнатной температуре (после перехода СМП на ядре 57Fe равно нулю) и с перестройкой электронной системы.

4. Обнаружение в FeB03 при давлении -52 ГПа кристаллографического изоструктурного перехода (R3c -» R3c) первого рода со скачком объёма ~9%.

5. Магнитный переход интерпретируется как результат спинового кроссовера 5/2 1/2 на ионе Fe3+.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной конференции

Американского Общества Материаловедения (MRS 1997, Boston), на международной конференции по физике высоких давлений (AIRAPT Conference 1999), на международных конференциях по применению эффекта Мёссбауэра (ICAME 2000, ICAME 2001), на международных конференциях по физике кристаллов и физике твёрдого тела (С-Петербург 2002, РСНЭ 2002) а также на научных семинарах ИФВД РАН.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Троян, Иван Александрович

Заключение и выводы Основные результаты работы.

В данной работе проведены оптические, рентгеновские, мессбаузровские и NFS эксперименты на ядрах атомов 57Fe, а также прямые измерения электросопротивления при высоком давлении в диэлектриках с переносом заряда NiO и FeB03.

Результаты исследований с NiO:

1. В NiO обнаружено, что энергии оптического поглощения на d-d переходах 3A2g-> 3T2g, 3A2g-^ 'Eig, 3A2g->3Tlg(F),H3A2gVT2g линейно растут с давлением при комнатной температуре с соответствующими коэффициентами 7.3 ± 0.2, 2.87 ± 0.9, 9.7± 0.5, and 8.9 ± 0.3 мэВ/ГПа.

2. Из барической зависимости параметра кристаллического поля 10Dqf, соответствующего энергии перехода 3А2д -» 3Т2д> в рамках приближения Андерсоновской модели гибридизации вычислена зависимость от объема обменного интеграла J, и установлено, что кулоновская энергия практически не зависит от давления, и её средняя величина равна 7.47 ± 0.05 эВ.

3. Из проведенных исследований следует, что зависимость обменного интеграла от объёма кристаллической ячейки находится в хорошем согласии с предсказаниями модели Блоха. Для параметра е блоховского соотношения J ос \ЛЕ получено s = 2.99 ± 0.15, что находится в хорошем соответствии с предсказаниями теории Блоха (s = 10/3).

Результаты исследований с FeB03:

1. Обнаружено, что магнитное поле на ядре 57Fe при комнатной температуре нелинейно растёт с давлением от величины -34.1 Т при Р=0 ГПа до -48.1 Т при давлении 46 ГПа.

2. При давлении 47 ГПа обнаружен фазовый переход с коллапсом магнитного момента при комнатной температуре (после перехода СМП на ядре 57Fe равно нулю) и с изменением электронной структуры кристалла - скачок оптической щели от ~3 эВ до -0.8 эВ.

3. Магнитный переход интерпретируется как результат спинового кроссовера s=5/2 -> s=1/2 на ионе Fe3+.

4. После электронного перехода измерена барическая зависимость термоактивационной щели E=E0+kR P, где Е0= 0.70 ±0.04 эВ и kR= - 0.0033 ± 0.0004 эВ/ГПа.

5. Измерены зависимости параметров решетки и V/V0 для FeB03, где V0 - объём элементарной ячейки при нормальном давлении. По экспериментальным данным построены уравнения состояния в форме Бёрча-Мурнагана с параметрами В0=255 ± 25 ГПа, В'=5.0 ±1.2.

6. При давлении -52 ГПа обнаружен кристаллографический изоструктурный переход (R3c -> R3c) первого рода со скачком объёма -9%.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. А.Г. Гаврилюк, И.А. Троян, И.С. Любутин, В.А. Сидоров, "Влияние высокого давления на структуру, магнитные и электронные свойства монооксида никеля", ЖЭТФ, т. 119, вып. 4, стр.799-804 (2001).

2. И.А. Троян, А.Г. Гаврилюк, В. А. Саркисян, И.С. Любутин, Р. Рёфер, О. Леопольд, А. Барла, Б. Дойл, А. И. Чумаков, Сидоров, "Переход из антиферромагнитного в немагнитное состояние в FeB03 при высоком давлении ", Письма в ЖЭТФ, т. 74(1), вып. 4, стр.26-29(2001).

3. A.G. Gavriliuk, I.A. Trojan, R. Boehler, A. Zerr, M. Eremets, I.S. Lyubutin, V.A. Sarkisyan, "Equation of state and structural phase transition in FeB03 at high pressure", Письма в ЖЭТФ, 75(1), 25-27 (2002).

4. В.А. Саркисян, И.А. Троян, И.С. Любутин, А.Г. Гаврилюк, А.Ф. Кашуба, Магнитный коллапс и изменение электронной структуры в антиферромагнетике FeB03 при воздействии высокого давления, Письма в ЖЭТФ, 76, № 11, 788-793, 2002.

5. ИАТроян, М.И. Еремец, А.Г. Гаврилюк, И.С. Любутин, В.А. Саркисян, "Транспортные и оптические свойства бората железа FeB03 при высоких давлениях" Письма в ЖЭТФ, 78(1), 16-20 (2003).

6. И.С. Любутин, В.А. Саркисян, А.Г. Гаврилюк, И.А. Троян, Р. Рёффер,"Магнитный, структурный и электронный переходы в FeB03 при высоких давлениях", Известия РАН (Серия физическая), 7, (2003).

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Троян, Иван Александрович, 2003 год

1. F. Mott, Proc. Phys. Soc., London, Sec. A 62, 416 (1949); Can. J.

2. Phys. 34, 287 (1961); N. F. Mott, "Metal-insulator Transitions", Taylor and Francis , London, (1990)

3. J. Zaanen, G.A. Sawatsky, and J.W. Allen, Phys. Rev. Lett., 55,418 (1985).

4. V.I. Anisimov, J. Zaanen, and О. K. Andersen, Phys. Rev. B, 44, 943 (1991).

5. S. Hufner, J. Osterwalder, T. Riesterer, and F. Hulliger, Sol. State1. Comm., 52, 793 (1984).

6. T. Eto, S. Endo, M. Imai, Y. Katayama, T. Kikegava, Phys. Rev. В61, 14984(2000).

7. J.Habbard, Proc. R. Soc. London, Ser. A 277 (1964) 237

8. R.E.Cohen, I.I.Mazin, D.G.Isaak, Science 275 (1997) 6548 . O. Gunnarsson, E.Koch, R.M.Martin, Phys. Rev. В 54 (1996)1. R11026.

9. S.Ohnishi, Phys. Earth Planet. Inter. 17 (1978) 130.

10. E.C.Stoner, Proc.R.Soc.London A169 (1939) 339; G.L.Krasko, Phys. Rev. B36 (1987) 8565.

11. M.I. Eremets, "High Pressure Experimental methods". Oxford University Press, p.48(1996).

12. H.K. Mao, J. Xu, P.M. Bell, "Calibration of ruby gauge to 800 kbar under quasihydrotatic condition". Journal of Geophysical Research B, 91 4673-6(1986).

13. R.J. Hemley, C.S. Zha, A.P. Jephcoat, H.K. Mao, L.W. Finger, "X-ray diffraction and equation of sate of solid neon to 110 Gpa" Physical Review B, 39, 11820-7 (1989).

14. W.L. Vos, J.A. Schouten " On temperature correction to the ruby pressure scale", Journal ofApplide Physics, 69, pp. 6744-6 (1991).

15. И.В. Пейсахсон "Оптика спектральных приборов", Изд. 2-е, Л., "Машиностроение", стр. 111-2 (1975).

16. Г. Вертхейм " Эффект Мёссбауэра" Изд-во "Мир", 1966.

17. R.Ruffer and A.I. Chumakov, Hyperfine Interactions, 97/98,589 (1996).

18. G.A. Slack, J. Appl. Phys. 31, 1571 (1960).

19. R. Newman and R.M. Chrenko, Phys. Rev.,114(6), 1507 (1959).

20. L.G. Khvostantsev, L.F. Vereshchagin, and A.P. Novikov, High Temp . High Pressures, 9, 637 (1977).

21. O.B. Tsiok, V.V. Bredikhin, V.A. Sidorov, and L.G. Khvostantsev, High Pressure Research, 10, 523 (1992).

22. R.L. Clendenen and H.G. Drickamer, J. Chem. Phys., 44, 4223 (1966).

23. Д.Т.Свиридов, Р.К.Свиридова, Ю.Ф.Смирнов "Оптические спектры переходных металлов в кристаллах", НАУКА, Москва (1976), стр. 239.28 . P.W. Anderson, Phys. Rev. 115, 2 (1959); Solid State Phys. 14, 99 (1963).

24. M.T. Hutchings and E.J. Samuelsen, Phys. Rev. В 6, 344 (1972).

25. M.J. Massey, N.H. Chen, J.W. Allen, and R. Merlin, Phys. Rev. В 42 (13), 8776 (1990).31 . V.A. Sidorov, Appl. Phys. Lett. 72, 2174 (1998).

26. D. Bloch, J. Phys. Chem. Solids 27, 881 (1966)

27. I.Bernal, C.W.Struck and J.G.White, Acta Cryst. 16 (1963) 849.

28. R.Wolff, A.J.Kurtzig and R.C.LeCraw, J. Appl. Phys. 41 (1970) 1218.

29. R.Diehl, Solid State Comm. 17 (1975) 743.

30. I.S. Edelman, A.V. Malakhovskii, T.I. Vasileva, and V.N. Seleznev, Fiz. Tverd. Tela, 14 (1972) 2810 Sov. Phys. Solid State, 14 (1973) 2442.

31. F.Menil, J. Phys. Chem. Solids 46 (1985) 763.

32. M.E.Lines, M.Eibschutz, Physica С 166 (1990) 235.39 . A.G. Gavriliuk, I.A. Trojan, R. Boehler, M. Eremets, A. Zerr, I.S. Lyubutin, V.A. Sarkisyan, Письма в ЖЭТФ 75, № 1 (2002) 25-27. JFTP Lett. 75, № 1 (2002) 23-25.

33. G.V.Smirnov, Hyperfine Interactions 123/124, 31(1999).

34. R. M. Hazen, and L. W. Finder, Comparative Crystal Chemistry, (Wiley, New York, 1982)

35. В.А. Саркисян, И.А. Троян, И.С. Любутин, А.Г. Гаврилюк , А.Ф. Кашуба, Письма в ЖЭТФ 76(11), (2002) 788.

36. G.R.Hearne, M.P.Pasternak, R.D.Taylor and P.Lacorre, Phys. Rev. В 51 (1995) 11495.

37. W.M.Xu, O.Naaman, G.Kh.Rozenberg, M.P.Pasternak and R.D.Taylor, Phys. Rev. В 64 (2001) 094411-(1-9).

38. M.P.Pasternak, G.Kh.Rozenberg, G.Yu.Machavariani, O.Naaman, R.D.Taylor, and R.Jeanloz, Phys. Rev. Lett. 82 (1999) 4663.

39. Овчинников С. Г., "Многоэлектронная модель зонной структуры и перехода металл-диэлектрик под давлением в FeB03", Письма в ЖЭТФ, 77(12), 808-811 (2003).

40. V.A. Sarkisyan, I.S. Lyubutin, A.G. Gavriliuk, R. Reffer. Fifth Seeheim Workshop on Mossbauer Spectroscopy, Seeheim, Germany, May 21-25, 2002, Abstracts of Oral Presentations, p. C-05.

41. M.Eibschutz and M.E.Lines, Phys. Rev. В 7 (1973) 4907.

42. A.G.Gavriliuk, G.N.Stepanov, V.A. Sidorov, and S.M.Irkaev, Jour. Appl. Phys. 79 (1996)2609.

43. D.M. Wilson, S. Broersma, Phys. Rev. В 14 (1976) 1977.53 . M.J. Massey, R. Merlin, S. M. Girvin.Phys. Rev. Lett. 69 (1992) 2299.