1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Серия физическая
  4. T. 87, № 3, 2023

Известия РАН. Серия физическая, 2023, T. 87, № 3, стр. 373-376

Магнитострикция в феррит-гранате Y1.8Bi1.2Fe3.5Ga1.5O12, синтезированного модифицированным методом сжигания геля при использовании этиленгликоля

Ф. В. Зеленов 1, *, Т. Н. Тарасенко 2, О. Е. Ковалёв 2, З. Ф. Кравченко 2, В. В. Бурховецкий 2, В. И. Михайлов 2, А. В. Головчан 2

1 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования “Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева”
Красноярск, Россия

2 Государственное бюджетное учреждение “Донецкий физико-технический институт имени А.А. Галкина”
Донецк, Россия

* E-mail: fyodor.zelenov@yandex.ru

Поступила в редакцию 28.09.2022
После доработки 27.10.2022
Принята к публикации 25.11.2022

Полный текст (PDF)

Аннотация

Исследована температурная зависимость константы магнитострикции иттрий-висмутового феррита-граната с замещением ионов Fe3+ на Ga3+. Приведено описание усовершенствованной технологии синтеза массивных образцов, результаты рентгеноструктурного анализа и исследования микроструктуры. Обнаружено изменение знака константы магнитострикции в зависимости от температуры, связанное со спин-ориентационным переходом.

ВВЕДЕНИЕ

Пленки железо-иттриевого граната, замещенного висмутом, используются в создании устройств магнитооптической памяти на основе эффектов Фарадея и Керра [1, 2] и обнаруживают линейный магнитоэлектрический эффект [3, 4], связанный с усилением магнитоэлектрической связи за счет ионов висмута [5]. В пленках Nd1Bi2Fe5O12/Nd2Bi1Fe4Ga1O12 и в Nd0.5Bi2.5Fe5O12 найдена электрическая поляризация и зависимость магнитоэлектрического взаимодействия от типа подложки [6, 7]. Взаимодействие между магнитной и электрической подсистемами реализуется за счет магнитоупругого и пьезоэлектрического взаимодействия, которое обнаружено в результате исследования магнитострикции и электрострикции пленок [8]. Пленки висмутового феррита граната обнаруживают максимум коэффициентов, магнитострикции и электрострикции в окрестности 200 К и смену знака константы магнитострикции в области комнатной температуры [8]. Смена знака связана с изменением поля магнитной анизотропии. Согласно первопринципным расчетам часть электронной плотности (δ) с ионов Bi3+ переходит на ионы Fe3 ± δ, что приводит к вырожденным состояниям ионов железа [5]. Это вырождение может быть снято по ян-теллеровскому каналу для ионов железа, расположенных в тетраэдрических позициях, либо за счет спин-орбитального взаимодействия для ионов Fe в октаэдрах. Путем замещения ионов железа немагнитными ионами, отличающихся ионным радиусом, можно варьировать температуру Кюри, магнитную анизотропию и магнитострикцию.

Цель исследований: разработать технологию синтеза висмутового феррита–граната и усилить константу магнитострикции висмутового феррита–граната без использования редкоземельных элементов, установить температуру спин-ориентационного перехода. Решение этой задачи достигалось за счет замещения ионов железа в тетраэдрических позициях ионами галлия, т. к. ионный радиус Ga3+ меньше, чем Fe3+.

ТЕХНОЛОГИЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ОБРАЗЦОВ

Синтез образцов на основе ферритов-гранатов железо-иттриевого граната методом твердофазной реакции низкоэффективен вследствие его высокой энергоемкости, к тому же процесс синтеза часто сопровождаются образованием побочной фазы со структурой перовскита YFeO3 [9]. Чтобы устранить этот недостаток и снизить температуру синтеза для получения висмутсодержащего феррограната (Bi–Y)3(Fe–Ga)5O12 был применен метод сжигания геля с использованием поливинилового спирта [10].

Для получения однофазного граната Y1.8Bi1.2Fe3.5Ga1.5O12 метод сжигания геля был модифицирован. Исходными веществами служили: окиси иттрия и висмута, металлический галлий и карбонильное железо (все марки ОСЧ), стехиометрические количества которых растворяли в разбавленной азотной кислоте. После растворения избыток азотной кислоты выпаривали и к раствору нитратов в качестве комплексообразователя добавляли лимонную кислоту, а в качестве гелеобразующего компонента – этиленгликоль. Реакционную смесь упаривали (~100°С) при непрерывном перемешивании до состояния геля, в котором первичные компоненты гомогенизированы на молекулярном уровне.

При увеличении температуры происходило медленное сгорание геля с образованием гомогенной смеси химически активных окислов в виде мелкодисперсного порошка. После охлаждения порошки перетирали, прессовали в таблетки и отжигали при температурах 780 и 1000°С с разными временами выдержки. Таким образом были получены 3 образца состава Y1.8Bi1.2Fe3.5Ga1.5O12 в режимах: I – 780°С (5 ч), II –780°С (12 ч) и III – 1000°С (12 ч).

Получены однофазные образцы, положение дифракционных рефлексов которых соответствует кубической структуре граната. Посторонние фазы не были обнаружены. Наилучшим режимом оказался режим № III: на рентгенограмме имеются острые дифракционные пики, что свидетельствует о хорошей кристаллизации (рис. 1а). Микроструктурные исследования выявили зависимость среднего размера зерна dср от температуры и времени отжига: (I) ≈170 нм, (II) ≈230 нм и (III) ≈500 нм. Результаты исследования морфологии поверхности излома образца Y1.8Bi1.2Fe3.5Ga1.5O12 в режиме III представлены на рис. 1б.

Рис. 1.

Структурные исследования поликристаллического образца Y1.8Bi1.2Fe3.5Ga1.5O12, синтезированного методом сжигания геля при использовании этиленгликоля режим III): рентгенодифрактограмма, полученная при комнатной температуре (a); результат изучения морфологии излома полученного образца (б).

Таким образом, показаны преимущества синтеза однофазных образцов (Bi–Y)3(Fe–Ga)5O12 методом сжигания геля над традиционным методом твердофазного синтеза.

МАГНИТОСТРИКЦИЯ

Константа магнитострикции определялась по изменению сопротивления тензодатчика ZFLA-3-11 в магнитном поле λ = (R(Н) – R(0))/R(0) = = (L(H) – L(0))/L(0). Измерение сопротивления проводилось при фиксированной температуре в течение 120 с без поля и в магнитном поле Н = = 12.6 кЭ. Средние значения изменения сопротивления представлены на рис. 2. Константа магнитострикции меняет знак при 220 К. Магнитострикция материала определяется упругими взаимодействиями и магнитными характеристиками, например, намагниченностью, анизотропией и обменными взаимодействиями [11]. Изменение знака магнитоупругих констант приведет к изменению знака констант магнитострикции и анизотропии [11]. Смена знака константы магнитострикции вызвана изменением знака магнитоупругих констант, что приведет к изменению знака константы анизотропии. Возможно, при этой температуре происходит спин-ориентационный переход.

Рис. 2.

Относительное изменение линейных размеров образца Y1.8Bi1.2Fe3.5Ga1.5O12 в магнитном поле 12 кЭ от температуры.

Подобный эффект обнаружен в пленках Nd1Bi2Fe5O12/Nd2Bi1Fe4Ga1O12 при изменении ориентации магнитного поля относительно нормали пленки наблюдалась небольшая анизотропия магнитострикции [8] с минимумом 30 градусов относительно нормали пленки. При охлаждении ниже 280 К максимум магнитострикции достигается по направлениям [100], [010] и [001]. В объемных образцах иттрий-неодимовых ферритов гранатов Беловым с соавторами [12] обнаружена линейная зависимость констант магнитострикции от концентрации редкоземельного элемента, которая объясняется в рамках одноионной модели. Зависимость констант магнитострикции Bi3Fe5O12 от температуры не описывается в рамках одноионной модели. В отличие от редкоземельных элементов ионы висмута не обладают собственным магнитным моментом. Однако на ядре висмута обнаружено внутреннее магнитное поля из ЯМР, которое соответствует магнитному моменту 0.1 µB/атом [13] и объясняет уменьшение магнитного момента на 0.6 μB в Bi3Fe5O12 [14].

МОДЕЛЬ

Существуют два основных механизма магнитострикции [11], один из которых одноионный $\left( {{{\lambda }}_{{\left[ {100} \right]}}^{2}} \right)$ с наличием у магнитного иона орбитального магнитного момента. В магнитном поле поворот орбитального момента меняет электростатическое поле окружающих ионов, в результате кристалличекая решетка испытывает анизотропные деформации. Обменная магнитострикция $\left( {{{{{\lambda }}}_{{\left[ {100} \right]}}}} \right)$ возникает при изменении обменного взаимодействия между магнитными ионами и связано со спиновыми корреляторами и можно представить в виде (1) [15]:

(1)
$\begin{gathered} {{{{\lambda }}}_{{\left[ {100} \right]}}}\sim \left( {{{D}_{{\left[ {100} \right]}}} - {{D}_{{\left[ {111} \right]}}}} \right)\left\langle {\vec {S}\left( 0 \right)\vec {S}\left( h \right)} \right\rangle \,, \\ {{\lambda }}_{{\left[ {100} \right]}}^{2}\sim \left( {B_{{\left[ {100} \right]}}^{2} - B_{{\left[ {111} \right]}}^{2}} \right)\,\left[ {{{{\left( {S_{i}^{z}} \right)}}^{2}} - \frac{1}{3}S\left( {S + 1} \right)} \right] + \left( {D_{{\left[ {100} \right]}}^{2} - D{{{_{{\left[ {111} \right]}}^{2}}}_{{}}}} \right)\,\left[ {\left\langle {{{S}^{z}}\left( 0 \right){{S}^{z}}\left( h \right)} \right\rangle - \frac{1}{3}\left\langle {\vec {S}\left( 0 \right)\vec {S}\left( h \right)} \right\rangle } \right], \\ \end{gathered} $
где D – обменная магнитоупругая константа, В – постоянная одноионного взаимодействия с кристаллическим полем, $\left\langle {\vec {S}\left( 0 \right)\vec {S}(h} \right\rangle $) – спин-спиновая корреляционная функция. Температурная зависимость констант магнитострикции описывается степенной функцией намагниченности (m). Так одноионная константа для l = 2 имеет вид ${{{{\lambda }}}^{2}}\left( T \right) = {{{{\lambda }}}^{2}}\left( 0 \right){{m}^{3}},$ обменная магнитострикция ${{\lambda }}\left( T \right) = {{\lambda }}\left( 0 \right){{m}^{2}}.$ Смена знака констант магнитострикции возможна при изменении величины магнитоупругих констант в окрестности 220 К. Коррелятор $\left\langle {\vec {S}\left( 0 \right)\vec {S}(h} \right\rangle $ между спинами ионов железа, находящихся в октаэдрических и тетраэдричексих позициях, в феррите граната отрицателен. Отрицательная константа магнитострикции при низких температурах возможна, если константы ${{D}_{{\left[ {100} \right]}}} > {{D}_{{\left[ {111} \right]}}}$ и $B_{{\left[ {100} \right]}}^{2} > B_{{\left[ {111} \right]}}^{2}.$ Изменение соотношения между константами возможно при понижении симметрии кристалла. Валентная конфигурация Bi3+ есть 6s26p0. В результате гибридизации волновых функций Bi–O–Fe электронная плотность на связи Bi–O меняется с участием P-орбиталей ионов висмута 6s2– x6px, что приводит к спиновому моменту Bi3+ и к смещению ионов кислорода. Два электрона на s уровне участвуют в образовании ковалентной связи и приводят к несимметричному расположению катионов железа относительно иона висмута.

Магнитный момент на ионах железа меньше 5μB и вычисление электронной структуры дает оценку спин-орбитального взаимодействия 39.4 мВ [5]. За счет смещения иона кислорода можно варьировать величину магнитного момента и магнитную анизотропию. Деформация октаэдров и тетраэдров или их повороты в результате смещения ионов висмута приводят к изменению углов обменных связей Fe–O–Fe, орбитального магнитного момента. Согласно теории Гуденафа антиферромагнитное взаимодействие реализуется если угол связей Fe–O–Fe равен 180 град и ферромагнитное взаимодействие при 90 град. Магнитные характеристики и упругая энергия в висмутовом феррите граната определяются перераспределением электронной плотности между ионами висмута и железа. Упорядочение магнитных доменов приводит к ферромагнитному порядку орбитальных магнитных моментов и к деформации образца [16].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для поликристаллов Y1.8Bi1.2Fe3.5Ga1.5O12 определены оптимальные условия синтеза однофазных образцов с максимальным размером зерен, установленных из морфологии поверхности излома образца. Определена температурная зависимость константы магнитострикции в магнитном поле 12 кЭ и найдена смена знака константы магнитострикции при нагревании с отрицательного значения на положительное. Этот эффект объясняется изменением величин магнитоупругих констант, связанных с деформацией решетки с понижением симметрии кристалла.

Исследования выполнены при поддержке Совета по грантам Президента Российской Федерации (проект № MK-620.2021.1.2).

Список литературы

  1. Звездин А.К. Котов В.А. Магнитооптика тонких пленок. М.: Наука, 1988. 192 с.

  2. Chung K.H. et al. // J. Appl. Phys. 2010. V. 107. Art. No. 09A930.

  3. Логгинов А.С., Мешков Г.А., Николаев А.В. и др. // Письма в ЖЭТФ. 2007. Т. 86. № 1–2. С. 124; Logginov A.S., Meshkov G.A., Nikolaev A.V. et al. // JETP Lett. 2007. V. 86. No. 2. P. 115.

  4. Popova E., Shengelaya A., Daraselia D. et al. // Appl. Phys. Lett. 2017. V. 110. No. 14. Art. No. 142404.

  5. Oikawa T., Suzuki S., Nakao K. // J. Phys. Soc. Japan. 2005. V. 74. No. 1. P. 401.

  6. Аплеснин С.С., Масюгин А.Н., Ситников М.Н., Ишибаши Т. // Письма в ЖЭТФ. 2019. Т. 110. № 3. С. 204; Aplesnin S.S., Masyugin A.N., Sitnikov M.N., Ishibashi T. // JETP Lett. 2019. V. 110. No. 3. P. 204.

  7. Аплеснин С. С., Масюгин А.Н., Ситников М.Н. и др. // Письма в ЖЭТФ. 2020. Т. 112. № 10. С. 680; Aplesnin S.S., Masyugin A.N., Sitnikov M.N. et al. // JETP Lett. 2020. V. 112. No. 10. P. 680.

  8. Aplesnin S.S., Masyugin A.N., Sitnicov M.N. et al. // J. Magn. Magn. Mater. 2018. V. 464. P. 44.

  9. Лисневская И.В., Боброва И.А., Лупейко Т.Г. // Журн. неорг. хим. 2015. Т. 60. № 4. С. 496; Lisnevskaya I.V., Bobrova I.A., Lupeiko T.G. // Russ. J. Inorg. Chem. 2015. V. 60. No. 4. P. 437.

  10. Smirnova M.N., Nikiforova G.E., Goeva L.V., Simonenko N.P. // Ceram. Int. 2019. V. 45. P. 4509.

  11. Белов К.П. Магнитострикционные явления и их технические приложения. М.: Наука, 1987. 159 с.

  12. Альмухаметов Р.Ф., Белов К.П., Волкова Н.В. // ФТТ. 1983. V. 25. № 5. С. 1499; Al’mukhametov R.F., Belov K.P., Volkova N.V. // Phys. Solid State. 1983. V. 25. No. 5. P. 1499.

  13. Hosoe Y., Takanashi K., Yasuoka H. et al. // J. Phys. Soc. Japan. 1986. V. 55. No. 3. P. 731.

  14. Adachi N., Okuda T., Denysenkov V.P. et al. // J. Magn. Magn. Mater. 2002. V. 242–245. P. 775.

  15. Белов К.П., Катаев Г.И., Левитин Р.З. и др. // УФН. 1983. Т. 140. № 2. С. 271.

  16. Kulikova D.P., Gareev T.T., Nikolaeva E.P. et al. // Phys. Stat. Sol. (RRL). 2018. V. 1. No. 6. Art. No. 1800066.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Серия физическая

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал