Эффект Зеемана при малоугловом рассеянии
(реферат)
Эффект Зеемана приводит кпоявлению незеркальных отражений и соответствующих пиков интенсивностей впреломленных пучках, для понимания чего достаточно рассмотреть результатпрохождения нейтронной волны через границу раздела двух доменов с индукциями Biи Bk, угол a междунаправлениями которых меньше 90°.Предположим, что в первом домене спин нейтрона S↑↑Bi.После прохождения границы вероятности реализации состояний S↑↑Bkи S↑↓Bk равны cos2(a/2) и sin2(a/2). Соответствующие измененияпотенциальной энергии: DU1 =m(Bk — Bi) и DU2 = m(Bk + Bi). Приупругом рассеянии изменения DUкомпенсируются изменениями кинетической энергии. При этом скорость нейтронаизменяется в направлении градиента потенциала, т.е. перпендикулярно границераздела. Поэтому в параметрах угловых распределений интенсивностей содержитсяинформация о магнитной текстуре образца.
Для решения некоторых общихзадач физики магнитных материалов наиболее удобным методом может оказатьсярефлектометрия поляризованных нейтронов. Но после анализа большого объемаэкспериментальных данных установлено, что все особенности угловых распределенийотраженных нейтронов являются частным случаем малоуглового рассеяния. Поэтомудля исследований в этом направлении стали использоваться пленки, фольги имассивные образцы.
При любых измерениях к образцудолжно быть приложено магнитное поле H, направление и величина которого зависитот решаемой задачи. Детекторной системой измеряются угловые распределенияинтенсивностей J(ij), где символы i и j выбраны для указания направления спинаS нейтрона до входа в образец и после выхода из него, соответственно. Значениюсимволов 0 или 1 соответствуют состояния S↑↑H или S↑↓H.(При анализе результатов измерений необходимо учитывать, что магнитный моментнейтрона m↑↓S.) Основная цельвыполняемых работ — исследованиеэволюции магнитных текстур при термической или магнитной обработке образцов,что необходимо, в частности, для проверки предложенной автором моделитермомагнитного эффекта [2].
Большая часть измеренийвыполнялась на анизотропных Co-Feпленках, в которых имеется сильная однонаправленная магнитная текстура, чтопозволило получить [3, 4] наглядные результаты, которые невозможно объяснитьналичием «латеральных флуктуаций плотности длины рассеяния нейтронов сразмерами меньше латеральной проекции длины когерентности нейтрона». Дляиллюстрации возможностей предлагаемой методики исследований далее приводятсярезультаты измерений.
/>
Рис.1.
Пленка состава Co67Fe31V2толщиной 1.2 мкм была напылена на полированную поверхность монокристаллическогокремния (d = 0.3 мм, Ø = 75 мм). Измерения выполнялись на установке«Вектор» (реактор ВВР-М, Гатчина). На рис. 1 приведены распределенияинтенсивностей для исходного и других состояний магнитной текстуры образца,которые получились после приложения магнитных полей. (Поле H = 4 Э практическине влияет на доменную структуру этой пленки, так как ее коэрцитивная сила Hc» 40 Э.) Магнитное поле прикладывалосьпараллельно плоскости пленки вдоль легкой оси намагничивания. Угол междуплоскостью пленки и направлением прямого пучка j » 38′.
Детальное изложение методикиобработки результатов рефлектометрических измерений приведено в статье [4]. Впроцессе работы с преломленными пучками обнаружена возможность предварительнойкорректировки экспериментальных данных, что и сделано при построении кривыхJ(ij).
Рис.1. Угловые распределенияинтенсивностей J(01) и J(10) преломленных пленкой нейтронов для исходного ипоследующих состояний магнитной текстуры.
Рис. 1 соответствует одноосноймагнитной текстуре: области с противоположными направлениями намагниченностейимеют большие латеральные размеры и толщину равную толщине пленки. Обоснованиемодели такой текстуры приведено в статье [2]. Для большей части доменов(примерно 70% объема) углы между направлениями намагниченностей и полем H равны180° — a. Приложениевнешнего магнитного поля H > Hc приводит к образованию однонаправленнойтекстуры (рис. 1б). Средние значения aav углов a для таких текстур: 31° (исходное состояние), 28° (H = 200 Э), 31°(H = 4 Э), 17° (H = 750 Э), 31° (H = 4 Э). Средние значения величининдукции пропорциональны угловому расстоянию D между центрами тяжестей пиков J(01) и J(10), величины которых(30, 42, 22, 49 и 33 минуты) определены с погрешностью не более одной минуты.
Зависимости aav и D от величинымагнитного поля — тривиальныеследствия нашей модели. Нечто новое, однако, обнаруживается после сравнениярезультатов измерений при H = 4 Э, для которых углы aav одинаковы, но величина D на рис. 1в существенно меньше, чем для двух других состояний. Дляобоснования того, что этот результат соответствует гипотезе о метастабильныхсостояниях магнитных кристаллов, содержание которой впервые изложено в статье[2], необходимы дополнительные исследования, методика которых выглядит следующимобразом.
Углы aav определялись из отношений интегральных интенсивностей R =Q(11)/Q(10). Измеряемые величины aav и D могут изменяться в зависимости от толщиныобразца deff вдоль направления нейтронного пучка, причиной чегоявляется многократное расщепление нейтронных волн на границах доменов. Дляизучения этого эффекта на пленке и фольге сплава Co-Fe толщиной d » 25 мкм были выполнены измеренияпараметров D и R при разных углах j. Для пленки R » 13 при изменении deff от 30 до100 мкм. При этом (рис. 2а) наблюдается «нормальная» линейная зависимость D(1/j). Для фольги во всем интервале углов j, начиная с 90°, происходит падение отношения R, что иприводит к наблюдаемой зависимости D(1/j). Теперьпонятно, что для подтверждения указанной выше гипотезы необходимо выполнитьаналогичные измерения для разных состояний магнитной текстуры.
/>/>
Рис. 2.
Угловые расстояния D между пиками интенсивностей J(01) и J(10)в зависимости от обратной величины угла скользящего падения j нейтронного пучка для пленки (а) и фольги(б). Для фольги приведено и отношение R = Q(11)/Q(10)
Научный ипрактический интерес к металлооксидам на основе манганит-лантановых перовскитовсвязан с уникальным сочетанием магнитных и транспортных свойств, проявляющихсяв колоссальном магниторезистивном эффекте (CMR), который наблюдается вблизифазовых переходов «метал-полупроводник» Тms и «ферро-парамагнетик» Tc.В основе представлений о CMR лежит идея о смешанно-валентном состоянии ионовмарганца Mn3+/Mn4+. Самый простой способ управлениясмешанно-валентным состоянием ионов Mn связан с варьированием разновалентногокатионного состава твердого раствора La1-x3+Ax2+MnO3,где A2+= Ca2+, Sr2+, Ba2+, Pb2+/1-3/.
/>/>Рис.3. Рис.4.
Неизовалентное замещение ионов La3+оказывает воздействие на конкурирующие между ионами Mn взаимодействия: двойноеобменное /4, 5/, сверхобменное /6/ и кулоновское, а также их магниторезистивныесвойства, что важно для практического их применения /7/.
Температура ферромагнитного упорядочения (Тс),и температура фазового перехода метал-диэлектрик (Тр), а такжетранспортные свойства очень чувствительны к структурным искажениям.
Поэтому,представляет особый интерес исследование изменения смешанно-валентногосостояния ионов Mn путем создания катионных вакансий в лантан-кальциевойподрешетке керамических образцов манганит-лантановых перовскитов.
Концентрацияионов Mn4+ в перовскитоподобных манганатах может быть существенноувеличена /8/ путем «накачки» в LCMO сверхстехиометрическогокислорода. Однако, большой радиус иона кислорода O2- (/>= 1,42Å) /9/, всравнении с радиусами элементов образующих решетку, уменьшает его диффузионнуюспособность, препятствуя проникновению “избыточного” кислорода в решетку.Поэтому, обогащению твердых растворов La1-xCaxMnO3кислородом соответствует образование дефектов в катионной подрешетке. Согласнорентгеноструктурным данным исследуемые образцы − однофазные. Изменениеструктурного типа (от ромбоэдрического (при x=0) к псевдокубическому(x=0,1-0,25)) и монотонное уменьшение параметра кристаллической решетки (Рис.1,2) связано с увеличением содержания ионов Ca2+ и, следовательно,ионов Mn4+ (радиусы которых меньше радиуса ионов La3+ иMn3+, соответственно).
Магнитосопротивлениеманганитов связывают с тремя процессами рассеяния носителей заряда:
1)критическое рассеяние на флуктуациях намагниченности (при t≈Tc);
2)межзеренное рассеяние (при t
3)внутризеренное рассеяние (при t
Увеличениеконцентрации кальция приводит к монотонному смещению максимумамагниторезистивного эффекта в область более высоких температур (от 133 К (х=0)до 223 К (х=0,25)), с ростом его величины в семь раз (Рис.3.).
В областинизких температур, порядка 90К, наблюдается рост значений магниторезистивногоэффекта для составов от х=0 до 0,2 при увеличении содержания ионов Ca2+,что связано, по-видимому, с их неравномерным распределением как внутри зерна,так и вблизи его границы. Так в работе [10] при использовании электронноймикроскопии высокого разрешения обнаружено сосуществование ромбоэдрической,гексагональной и кубической «фаз» соответствующих областям, обогащенным ионамиLa-Sr, Lu и Sr соответственно. Выполненное комплексное исследование(рентгеноструктурным, магнитным, резистивным и ЯМР 55Mn методами)керамических образцов манганит-лантановых перовскитов (La1-xCax)1-уMnO3(у, х=0 − 0,3) спеченных при температуре 11700С позволилоустановить закономерности изменения: типа структуры, параметра кристалллическойрешетки, температуры фазового перехода “металл-полупроводник” и”ферро-парамагнетик” и магниторезистивного эффекта с изменением состава.
Марганец-цинковыеферриты (МЦФ) относятся к наиболее перспективным магнитомягким материалам,используемым в электронной технике. Возросший интерес к этим ферритам связан сдискуссионностью колоссального магниторезистивного (CMR) эффекта, обнаруженногоне только в редкоземельных манганитах /1/, но и в марганец-цинковых ферритах.
Используярентгеновские (структурный и спектральный), нейтронографический, резистивный,мессбауэровский, магнитные, в том числе ЯМР, методы исследовали влияние составана дефектность структуры, степень обращенности и свойства марганец-цинковыхферритов Mn0.95-x Znх Fe2.05 O4+γ (х=0-0.45).Керамические образцы были получены по оптимизированной технологии, включаярегулируемый газотермический режим их спекания и охлаждения.
Концентрационныезависимости параметра решетки (а) и температуры Кюри (Тс),приведенные на рис.1, показывают уменьшение а и Тс при росте х вследствиезамещения меньшими диамагнитными ионами Zn2+ больших магнитных ионовMn2+.
/>/>
Рис.5 Концентрационные зависимости параметра решетки (а) и температуры Кюри (Тс). Рис 6. Концентрационыые зависимости эффективного магнитного поля (Нэфф.), химического сдвига (δ) и квадрупольного расщепления (Δ).
Влияние х наэффективные магнитные поля (Нэфф.), химический сдвиг (δ) и квадрупольноерасщепление (Δ) по ЯГР данным иллюстрирует рис.2.
Молярныекристаллохимические формулы МЦФ с учетом распределения разновалентных катионовпо тетра (А)- и окта (В)- позициям и дефектности феррошпинельной структуры поданным комплексных исследований представлены в таблице 1.
Таблица 1.Молярные кристаллохимические формулы Mn0.95-xZnxFe2.05O4x Кристаллохимические молярные формулы
(Mn0.832+ Fe0.073+ V0.10(с))А [Mn0.093+ Fe1.803+ Fe0.182+ ]В O3.852- V0.15(а) 0.2
(Mn0.632+ Zn0.192+ Fe0.103+ V0.08(с))А [Mn0.073+ Fe1.683+ Fe0.152+ ]В O3.902- V0.10(а) 0.3
(Mn0.572+ Zn0.292+ Fe0.063+ V0.08(с))А [Mn0.063+ Fe1.813+ Fe0.132+ ]В O3.912- V0.09(а) 0.45
(Mn0.442+ Zn0.442+ Fe0.053+ V0.07(с))А {Mn0.053+ Fe1.873+ Fe0.082+ ]В O3.922- V0.08(а)
Былопоказано/3/, что реальная структура марганец-цинковой феррошпинели содержит нетолько точечные (вакансии), но и наноструктурные включения кластерного типаконцентрации которых зависят от характера и степени отклонения от стехиометрии/4/.
Закономерностивлияния состава (x) и температуры на магниторезистивный эффект исследованныхМЦФ иллюстрируют рис.3 и рис.4.
/>
/> Рис.7 Концентрационные зависимости магниторезистивного эффекта. Рис. 8 Температурные зависимости магниторезистивного эффекта
УвеличениеCMR эффекта при понижении температуры свидетельствует о преобладаниитуннельного механизма переноса заряда на межкристаллитных зонах. Повышениесодержания сверхстехиометрического марганца (х) приводит к росту концентрациивакансий и кластеров, с которыми связан магниторезистивный эффект. С изменениемх изменяется MR эффект не только вблизи фазовых переходов Tms и Tc, но и внизкотемпературной области, т.н. низкополевой, обусловленный туннелированием намежкристаллитных зонах. По нашим данным этот эффект коррелирует с шириной, а непротяженностью межкристаллитных границ. Туннельный магниторезистивный эффектможет быть меньше и больше основного MR эффекта.
Анализрезультатов комплексных исследований нестехиометрических феррошпинелей иредкоземельных манганитов показал, что решетка таких металлооксидов содержитточечные (вакансии) и наноструктурные (кластеры) дефекты, которые существенновлияют на их функциональные свойства, в том числе на магниторезистивный эффект.
Корреляциямежду дефектностью и неоднородностью, особенно наноструктурной кластерноготипа, между магнитной и резистивной неоднородностями и величиной MR эффектапозволяет сделать вывод об определяющей роли таких неоднородностей в явленииколоссальной магниторезистивности.
ПроявлениеCMR эффекта связывают с различными неоднородностями, среди которых особоговнимания заслуживают нано- и мезоструктурные [4,5]. Комплекснымиисследованиями, выполненными рентгеновскими (структурным и спектральным),нейтронографическим, резистивным и магнитными, в том числе ЯМР на 55Mn,57Feи 139La, методами, изучали дефектность структуры и свойства различныхферрошпинелей и редкоземельных манганитоперовскитов.
Установлено,что реальная структура феррошпинелей, в частности магнетита [6], никелевых [7]и марганец-цинковых [8] ферритов содержит катионные (V(с)), анионные(V(а)) вакансии и мезоскопические плоскостные дефекты кластерноготипа. Примером равномерного распределения катионных вакансий в тетра (А) –позициях по данным ЯМР 57FeB (рис.1) служат никелевыеферрошпинели (Fe1-х3+Vх(с))А[Ni1-х2+Fe2+х3+]ВO42-[7].
/>/>
Рис. 9. Рис.10.
В большинствеслучаев при циклических изменениях газотермических режимов в решетке образуютсяанионные, катионные вакансии и более сложные – наноструктурные кластеры. Взависимости от характера и степени отклонения от стехиометрии в дефектнойрешетке феррошпинелей (Fd3m) образуются кластеры псевдовюститного (Fm3m) илигематитного (R/>c) типа. Реальная структурамарганец-цинковых феррошпинелей (МЦФ) тоже содержит V(а),V(с)и кластеры, образовавшиеся вследствие отклонения от стехиометрии прициклических изменениях газотермических режимов. Молярная формула феррошпинелей,наиболее распространенных МЦФ, используемых в цветном телевидении ивидеомагнитофонах, имеет следующий вид:
/>
Впервые былопоказано [9], что в окта (В) – позициях находятся ян-теллеровские ионы Mn3+.Влияние РО2 и нестехиометрии на функциональные свойства МЦФиллюстрирует рис. 2. Показано, что параметр решетки а имеет максимум, атемпература Кюри θС (2) — минимум в интервале lgРО2= 2 – 3 (Па), который близок к стехиометрическому составу марганец-цинковыхферритов. Для этого интервала парциального давления кислорода характерны максимальныезначения удельной намагниченности насыщения σS (3) иэлектропроводности σ(4). Переход через стехиометрию (lgРО2≈ 2,5 Па) сопровождается сменой типа электропроводности отполупроводникового к металлическому при посте РО2. Минимальныепотери электромагнитной энергии (Р) характерны для минимального отклонения отстехиометрии. Обнаруженный MR эффект ниже Тс в кольцевых марганец-цинковыхферритах связан с ионами марганца и обусловлен, в основном, туннелированием намежкристаллитных зонах поликристаллической керамики.
Вредкоземельных манганитах сверхстехиометрический марганец образуетнаноструктурные кластеры [10,11] в дефектной перовскитовой решетке, содержащейанионные и катионные вакансии:
/>.
Типичныйхарактер температурной зависимости MR эффектов вблизи Tms, Tc и внизкотемпературной области туннельного типа иллюстрирует рис. 3. Влияниенаноструктурной кластеризации на MR эффект нескольких составов редкоземельныхманганитов (рис. 9) свидетельствует о существенной роли кластеров вформировании колоссального магниторезистивного эффекта Зеемана.
Литература
1. В.П.Пащенко, А.М. Нестеров, В.И. Архаров, З.А. Самойленко. Структурно-химическаянеоднородность и физические свойства марганец-цинковых ферритов. ДАН СССР 318,№2, 371-375 (1991).
2. М.Ю.Каган, К.И. Кугель. УФН 171, 6, 577 (2001).
3. В.П.Пащенко, Н.И. Носанов, А.А. Шемяков. Высокочувствительный магниторезистивныйдатчик. Патент Украины. UA № 45153, Бюл. №9 (2005).
4. V.P.Dyakonovv, I. Fita, E. Zubov, V. Pashchenko, V.K. Prokopenko, H. Szymczak.Canted spin structure in clusters of the (La0.7Ca0.3)1-xMn1+xO3perovskites. J.Magn.Magn.Mater. 246, 40-53 (2002).
5. Н.Н.Лошкарева, А.В. Королев, Т.И. Арбузова, Н.И. Солин, А.М. Балбашов, Н.В.Костромитина. Многофазное магнитное состояние монокристаллов Ca1-хLaхMnO3-δ(х=0.03, 0.05, 0.07), содержащих кислородные вакансии. ФММ 103, №3, 261-270(2007).[1] А.В. Ковалев. Материалы международной конференции «Актуальныепроблемы
физики твердого тела».Минск, 2005, т. 1, с. 26.
6. А.В. Ковалев.Поверхность. 8, 106 (2002).
7. A.V. Kovalev. Physics ofelectronic materials. Intern. Conf. Proc.KSPU.
Kaluga, 2005, v.1, p.49.
8. А.В. Ковалев.Электронный журнал “Исследовано в России”, 36, 343-
365, 2007.
9. О. Троянчук, М.В.Бушинский, Д.В. Карпинский. ЖЭТФ 130, 667 (2006).
10. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2007/036.pdf
11. В.П.Пащенко, А.А. Шемяков, А.В. Пащенко, В.П. Дьяконов. ФНТ 30, 403 (2004).