Магнитные, структурные и электронные превращения в новых мультиферроиках семейства лангасита и редкоземельных ферроборатов в экстремальных условиях высоких давлений и низких температур

Номер гранта:14-02-00483
Область научного знания:физика и астрономия
Тип конкурса: («а» (до 2016))(«а») инициативные научные проекты
Год выполнения:2014г.
Руководитель: Любутин И.С.
Статус заявки:поддержана

Аннотация к заявке:

Целью проекта является экспериментальное исследование магнитных, электронных и структурных свойств нового семейства мультиферроиков при воздействии на них высоких давлений (мегабарного диапазона), создаваемых в камерах с алмазными наковальнями. Для исследования низкотемпературных магнитных свойств будут использованы ядерно-резонансные методики. Ставится задача изучить магнитные свойства нового семейства мультиферроиков со структурой типа лангасита, содержащих ионы железа A3MFe3X2O14 (A = Ba, Sr; M = Sb, Nb, Ta; X = Si, Ge), и мультиферроиков семейства ферроборатов RFe3(BO3)4 (R= Y, Nd, Gd, Sm, Ho). На основе экспериментальных данных планируется построение и исследование магнитных Р-Т фазовых диаграмм этих соединений. С применением комплекса современных экспериментальных методик, включая синхротронные, будут изучены магнитные переходы, а также структурные переходы, индуцированные магнитным упорядочением. При высоких давлениях будут исследованы эффекты спинового кроссовера (переходы 3d-ионов из высокоспинового состояния в низкоспиновое), переходы магнетика в немагнитное состояние (эффекты магнитного коллапса), переходы типа изолятор-металл и изолятор-полупроводник. При таких превращениях будет прослежена корреляция между кристаллической структурой, магнитными и электронными свойствами мультиферроиков, и тем самым будут получены экспериментальные данные о природе мультиферроидных эффектов. Такие данные послужат для создания адекватной теории магнитоэлектрических взаимодействий. Это обеспечит целенаправленный поиск и получение новых мультиферроидных материалов перспективных для создания нового поколения высокоэффективных устройств обработки информации.

Аннотация к отчету по результатам реализации проекта:

С целью поиска новых мультиферроиков синтезирована и изучена серия кристаллов семейства лангасита, содержащих ионы железа A3MFe3X2O14 (A = Ba, Sr; M = Sb, Nb, Ta; X = Si, Ge). Также выращены монокристаллы двух соединений этой серии Ba3МFe3Si2O14 (М = Ta, Nb), на которых выполнены прецизионные рентгеноструктурные исследования при двух температурах 90 и 295 К. При этом обнаружена асимметрия разупорядочения магнитного иона Fe в позиции 3f и катиона Ba в позиции 3e, которая может привести к кристаллической и магнитной хиральности. При нормальном давлении во всех соединениях обнаружен дальний магнитный порядок с точкой Нееля в области 27-37 К. Установлено, что магнитное упорядочение индуцирует структурный переход, при котором создаются условия для сегнетоэлектричества, и такие соединения могут рассматриваться как магнитно-индуцированные мультиферроики. Предложено теоретическое описание фазовых переходов в слоистых мультиферроиках типа лангасита с треугольной решеткой магнитных ионов и установлены причины кристаллической и спиновой хиральности. Главное внимание уделяется появлению в лангаситах расщепленных структурных позиций ионов Fa3+, в которых возможно образование хиральных структур и индуцированной электрической поляризации разных знаков в соответствие со знаком хиральности. Для двух кристаллов этого семейства Ba3МFe3Si2O14 (М = Nb, Ta) исследованы структурные и магнитные свойства при воздействии высоких гидростатических давлений (до 60 ГПа), создаваемых в камерах с алмазными наковальнями. Помимо лабораторных методик, использованы синхротронные методы рентгеновской и мессбауэровской спектроскопии. Обнаружен каскад структурных фазовых переходов в области Р = 3-6, 20 и 45 ГПа. Установлено, что характер переходов отличен для кристаллов, содержащих ионы Ta, Nb и Sb в октаэдрических позициях структуры лангасита. Наиболее резкие изменения структуры и магнитных свойств наблюдаются при втором переходе около 20 ГПа, где сильно уменьшается параметр с элементарной ячейки, и объем ячейки падает скачком на 9 %. С точки зрения магнитных свойств, это должно привести к существенному увеличению обменных взаимодействий между ионами железа в соседних плоскостях (аb). В предварительном эксперименте при давлениях выше 20 ГПа в кристалле Ba3TaFe3Si2O14 обнаружено колоссальное увеличение точки Нееля от 27 до 120 К. Однако из синхротронных мессбауэровских исследований (методика SMS) установлено, что в фазе высокого давлениях (выше 20 ГПа) происходит необычное расслоение кристалла на две магнитные фазы с разными значениями точки Нееля (около 50 и 130 К). Эти интересные эффекты требуют дополнительных исследований. В плане исследования редкоземельных ферроборатов проведены рентгеноструктурные исследования монокристаллов семейства RFe3(BO3)4 (R = Nd, Sm, Gd, Y) в широком температурном диапазоне 5–500 K, в том числе с использованием синхротронного излучения. Изучена температурная зависимость параметров элементарной ячейки в кристаллах NdFe3(BO3)4 в диапазоне 15-295 К и YFe3(BO3)4 в диапазоне 110-500 К. Установлено присутствие примесного атома Bi в этих кристаллах. Определена валентность Bi в кристаллах Y0.95Bi0.05Fe3(BO3)4. Проанализировано изменение кристаллохимических особенностей структуры Gd0.95Bi0.05Fe3(BO3)4 в диапазоне 30 – 293 К, Y0.95Bi0.05Fe3(BO3)4 в диапазоне 30 – 500 К и монокристаллов SmFe3(BO3)4, содержащих и не содержащих примесные атомы висмута. Выявлен структурный фазовый переход для монокристалла Y0.95Bi0.05Fe3(BO3)4 в диапазоне 350–380 K. Впервые проведены мёссбауэровские исследования на ядрах Fe-57 ферроборатов RFe3(BO3)4 (R = Gd, Y, Nd, Sm) в интервале температур 5-480 К. Изучена динамика структурных и магнитных фазовых переходов. Установлено сильное влияние редкоземельного иона на поведение подрешетки железа. Предложен и реализован принципиально новый способ измерения параметров сверхпроводимости материалов с помощью мессбауэровского сенсора (Science-2016).
Аннотации к заявке и отчету приведены в авторской редакции. по состоянию на 29.03.2024.

Библиография

Приведена в авторской редакции.
Помог ли вам материал?
0    0