авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |

Взаимосвязь электрических и магнитных свойств в сильно коррелированных электронных системах оксидов и халькогенидов переходных металлов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Иванова Наталья Борисовна

ВЗАИМОСВЯЗЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ В СИЛЬНО КОРРЕЛИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХ ОКСИДОВ И ХАЛЬКОГЕНИДОВ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

01.04.07 – физика конденсированного состояния

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Красноярск – 2007

Работа выполнена в Институте физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук и Сибирском федеральном университете

Научный консультант:

доктор физико-математических наук, профессор Овчинников Сергей Геннадьевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Романенко Анатолий Иванович (ИНХ, г. Новосибирск);

доктор физико-математических наук, профессор Найден Евгений Петрович (СФТИ, г. Томск);

доктор физико-математических наук, профессор Аплеснин Сергей Степанович (СибГАУ, г. Красноярск)

Ведущая организация: Новосибирский государственный университет

Защита состоится________________2008 года в _______ на заседании диссертационного совета по защите диссертаций Д 003.055.02 в Институте физики СО РАН по адресу 660036, Красноярск, Академгородок 50, стр. 38, ИФ СО РАН

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Оксиды и халькогениды переходных и редкоземельных элементов формируют класс соединений с чрезвычайно богатыми и разнообразными физическими свойствами. Среди этих соединений особое место занимают материалы с сильными электронными корреляциями (СЭК). Среди неординарных физических свойств систем с СЭК выделяются высокотемпературная сверхпроводимость купратов, колоссальное магнитосопротивление манганитов лантана и халькогенидов европия, аномальная термоэдс в кобальтитах и многое другое. Наиболее яркой чертой материалов с сильными электронными корреляциями является выраженная взаимосвязь магнитных, оптических, электрических и других физических свойств.

Проблема сильных корреляций является чрезвычайно важной в физике конденсированного состояния. Попытки ее решения приводят к новым воззрениям на природу электрона в системах с СЭК, которые далеки от привычных представлений физики нормальных металлов и полупроводников. Проблема учета СЭК, как правило, не позволяет провести расчеты спектра квазичастиц из первых принципов, поэтому очень важно развитие модельных представлений и численных методов. Это развитие должно сопровождаться и экспериментальными исследованиями, которые в случае систем с СЭК непременно должны быть комплексными, ввиду наличия большого числа взаимосвязанных степеней свободы в этих соединениях ­– решеточных, зарядовых, спиновых, орбитальных. С точки зрения фундаментальной физики оксиды и халькогениды переходных и редкоземельных металлов являются пробным камнем для выяснения роли сильных электронных корреляций, гибридизации, зарядового и орбитального упорядочения.



Основной проблемой, рассматриваемой в данной работе является взаимосвязь различных физических свойств оксидов и халькогенидов переходных металлов, в первую очередь магнитных и электрических. Изучение механизмов этой взаимосвязи важно, как с фундаментальной точки зрения, так и с точки зрения практических применений.

Поиск материалов с сильной взаимосвязью магнитных и зарядовых степеней свободы в настоящее время является основной задачей спинтроники. В этом смысле магнитные полупроводники – халькогенидные шпинели хрома явились предшественниками современных материалов для этой области науки, поскольку электронная и магнитная системы в них исключительно сильно связаны между собой. И хотя хромовые шпинели пока не получили широкого применения из-за сложной технологии синтеза, тем не менее они оказались очень важными и интересными объектами для фундаментальной физики. Изучение этих тройных полупроводников позволяет выработать основные подходы к описанию их электронной структуры и понять механизмы влияния ее особенностей на экспериментально наблюдаемые свойства.

В большинстве хромовых шпинелей наиболее важные события в электронной и магнитной системах происходят в области криогенных температур, что также ограничивает их практическое применение. От этого недостатка свободны многие сульфиды 3d-металлов, в которых магнитный порядок часто устанавливается при высоких температурах. На основе сульфидов марганца, хрома, железа можно создать множество твердых растворов, обладающих нетривиальными электрическими и магнитными свойствами.

Бораты переходных металлов на основе FeBO3 знамениты тем, что современная технология синтеза позволяет получать высококачественные прозрачные монокристаллы с высокими температурами магнитного упорядочения. Оказывается, что в этих боратах электрические и магнитные свойства слабо связаны между собой, но зато существует выраженная взаимосвязь магнитных и оптических свойств.

Особое место в ряду оксидных соединений с сильно коррелированными электронами занимают перовситоподобные оксиды. Среди них и ВТСП-купраты, и манганиты с колоссальным магнитосопротивлением, и редкоземельные кобальтиты. Физика явлений, протекающих в РЗМ-кобальтитах чрезычайно разнообразна, и очень многие ее вопросы в данный момент не решены до конца. Одним из наиболее важных вопросов является так называемая проблема спинового состояния ионов Со3+. В данной работе уделено внимание тем особенностям физических свойств, которые привносит магнетизм редкоземельных элементов.

Далее будут приведены результаты экспериментального изучения нескольких различных групп соединений: хромовых шпинелей, сульфидов, боратов, кобальтитов, отличающихся кристаллической структурой, типом магнитного упорядочения, характером проводимости и другими физическими свойствами. При этом их общей чертой является наличие в кристаллической решетке ионов с незавершенными d-(f-) электронными оболочками и сильного кулоновского взаимодействия.

Целью диссертационной работы является экспериментальное исследование особенностей взаимосвязи магнитных и электрических свойств оксидов и халькогенидов переходных металлов.

Основные задачи работы:

  1. комплексное экспериментальное изучение магнитных и электрических свойств монокристаллов халькогенидных шпинелей хрома n-HgCr2Se4, твердых растворов CdxHg1-xCr2Se4 и CuxZn1-xCr2Se4; сульфидов Fe1-xVxS и оксисульфидов (VS)x(Fe2O3)2-x; монокристаллических боратов Fe1-xVxBO3; бората хрома CrBO3; перовскитоподобных оксидов редкоземельных металлов, таких как купрат La2CuO4, кобальтиты GdCоО3 и SmCoO3;
  2. выяснение и сопоставление механизмов взаимосвязи магнитных и электрических свойств этих материалов при изменении температуры, магнитного поля и концентрации носителей заряда;
  3. описание и анализ экспериментально наблюдаемых свойств на основе конфигурационной многоэлектронной модели энергетической структуры и определение модельных параметров.

Научная новизна работы. Результаты диссертации, выносимые на защиту, являются новыми и соответствуют мировому уровню.

Впервые получены и исследованы прозрачные монокристаллы оксиборатов Fe1-xVxBO3. Обнаружены концентрационные и температурные магнитные фазовые переходы, сопровождаемые изменением характера проводимости. Для оксиборатов VBO3 и Fe1-xVxBO впервые измерены спектры оптического поглощения. Для малоизученных боратов CrBO3 и VBO3 определены обменные константы и константы анизотропии. Доказана различная природа диэлектрической щели в FeBO3 и VBO3.

Для монокристаллов вырожденного магнитного полупроводника n-HgCr2Se4 обнаружено отклонение от закона Блоха в температурной зависимости намагниченности, связанное с нефермижидкостным поведением электронной системы этого соединения.

Обнаружены квантовые осцилляции намагниченности и проводимости n-HgCr2Se4, не описываемые на основе традиционных представлений об эффектах де Гааза-ван Альфена и Шубникова-де-Гааза в фермижидкостных системах.

Выявлена прямая зависимость электрического сопротивления n-HgCr2Se4 от магнитного момента. Ярко выраженная взаимосвязь магнитной и электронной систем обнаружена также в недопированном монокристаллическом купрате La2CuO4. Предложено описание взаимосвязи магнитных и электрических свойств боратов, хромовых шпинелей и купратов с единых позиций – на основе конфигурационной многоэлектронной модели энергетической структуры с учетом сильных электронных корреляций. Определен ряд параметров модели.

Исследованы механизмы взаимосвязи магнитных и электрических свойств при концентрационных переходах в твердорастворных системах оксисульфидов (VS)x(Fe2O3)2-x, сульфидов FexV1-xS, хромовых шпинелей CdxHg1-xCr2Se4 и CuxZn1-xCr2Se4. Для (VS)x(Fe2O3)2 при х=1.25 обнаружен магнитный переход, сопровождаемый переходом металл-диэлектрик и структурными превращениями. Для сульфидов FexV1-xS обнаружен переход от режима Кондо к магнитному порядку. Определена критическая концентрация. В твердых растворах СuxZn1-xCr2Se4 обнаружено сосуществование ферро- и антиферромагнитного порядка и перколяционное поведение электрической проводимости в критической области концентраций. В качестве механизма концентрационного перехода рассмотрено разделение фаз.

Проведено сравнительное изучение особенностей взаимосвязи электрических и магнитных свойств малоизученных кобальтоксидных соединений GdCoO3 и SmCoO3. В высокотемпературной области Т = 600 700 К обнаружен широкий переход металл-диэлектрик, связанный с изменением спинового состояния ионов Co3+. Выявлены значительные различия в низкотемпературном поведении магнитной восприимчмвости этих соединений. Показана определяющая роль ван-флековского поляризационного вклада в магнитную восприимчивость SmCoO3. Сделаны оценки расщепления основного состояния иона Sm3+ в кристаллическом поле низкой симметрии.

Научная значимость работы. Показано, что в оксидах и халькогенидах переходных металлов важнейшим фактором, ответственным за взаимосвязь магнитных и электрических свойств, являются особенности электронной структуры, формируемые в результате действия сильных электронных корреляций. Доказана необходимость учета СЭК при описании экспериментально наблюдаемых свойств и энергетического спектра этих соединений. Получены экспериментальные данные, касающиеся взаимосявязи процессов переноса, намагничивания, оптического поглощения в новых и малоизученных материалах: боратах переходных металлов, оксисульфидах, РЗМ-кобальтитах.

Практическая значимость работы. Оксидные и халькогенидные соединения переходных элементов не только являются интересными объектами фундаментальных исследований, но также чрезвычайно важны для практических применений. Прозрачные магнитные диэлектрики, такие как FeBO3, VBO3 и CrBO3 представляют интерес для оптоэлектроники и спинтроники. Соединения на основе LaCоO3 нашли свое место в качестве катодов твердотельных оксидных источников питания, гетерогенных катализаторов, кислородных мембран и газовых сенсоров. Высокая термоэдс, наблюдаемая в кобальтитах, позволяет рассматривать их как альтернативу традиционным полупроводниковым термоэлектрическим материалам. Разработки в области создания мультислоев и гетероструктур, содержащих ферромагнитные полупроводники, такие как HgCr2Se4, заложили основу для создания нового поколения микроэлектронных устройств [1]. Очень важным с позиций практического применения является демонстрируемое многими оксидами и халькогенидами гигантское магнитосопротивление. Среди соединений, исследованных в данной работе, им обладают хромовые шпинели и купраты. Проведенные в работе исследования смешанных соединений FexV1-xS, Fe1-xVxBO3, (VS)x(Fe2O3)2-x, CuxZn1-xCr2Se4 показали возможность синтеза соединений с предварительно заданными характеристиками.

Достоверность полученных результатов обеспечена применением современных методов исследования магнитных материалов, использованием оборудования, обеспечивающего необходимую точность эксперимента. Применяемые физические подходы и модели соответствуют природе наблюдаемых явлений. Достоверность также подтверждается тем, что некоторые явления, предсказанные на основе используемых физических моделей, такие как отклонения от закона Блоха в температурной зависимости намагниченности ферромагнетиков с промежуточной валентностью, нарушение периодичности по обратному полю эффектов де Гааза-ван Альфена и Шубникова-де Гааза в нефермижидкостных системах в данной работе обнаружены экспериментально.





Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

  • Результаты исследований магнитных, кинетических и оптических свойств прозрачных монокристаллов Fe1-xVxBO3. Обнаружен концентрационный магнитный переход антиферромагнетик-ферромагнетик. Найдено температурное изменение механизма проводимости от простого активационного при высоких температурах к прыжковой проводимости при низких температурах. Результаты интерпретированы на основе многоэлектронной модели зонной структуры с учетом сильных электронных корреляций. Показано, что диэлектрическая щель в крайних соединениях ряда имеет различную природу.
  • Результаты исследований магнитной структуры монокристаллов малоизученных оксиборатов VBO3 и CrBO3. Для VBO3 впервые обнаружена одноосная анизотропия и исследована температурная зависимость первой константы одноосной анизотропии К1. Для CrBO3 наряду с одноосной обнаружена значительная гексагональная анизотропия. Для обоих соединений определены значения обменного поля Hex.
  • Нефермижидкостное поведение носителей заряда в монокристаллах ферромагнитного полупроводника HgCr2Se4, выражающееся в нарушении типичного для ферромагнетиков закона Блоха (Т3/2) температурной зависимости намагниченности. Наряду с блоховским обнаружен значительный линейный по температуре вклад в намагниченность, ранее предсказанный спин-волновой теорией ферромагнетиков с промежуточной валентностью.
  • Квантовые осцилляции намагниченности и проводимости в n-HgCr2Se4. Выявлены отклонения от обычных эффектов де Гааза–ван Альфена и Шубникова­–де Гааза, выражающиеся в нарушении периодичности эффектов по обратному магнитному полю 1/H. При описании эффектов использованы представления о нефермижидкостной зависимости химпотенциала от температуры и магнитного поля.
  • Сильная взаимосвязь магнитных и электрических свойств хромовых шпинелей n-HgCr2Se4 и купрата La2CuO4 как результат особенностей электронной структуры этих соединений. Для HgCr2Se4 определены параметры многоэлектронной модели: обменный интеграл, параметр гибридизации и положение одноэлектронного d-уровня относительно дна зоны проводимости.
  • Особенности взаимосвязи магнитных и электрических свойств при концентрационных магнитных и электронных переходах в смешанных системах (VS)x(Fe2O3)2-x, FexV1-xS, CdxHg1-xCr2Se4 и CuxHg1-xCr2Se4. В качестве возможных механизмов взаимосвязи рассмотрены зарядовое упорядочение, переход от режима Кондо к магнитному порядку и разделение фаз.

Результаты сравнительного изучения особенностей взаимосвязи магнитных и электрических свойств систем с двумя типами магнитных ионов на примере редкоземельных кобальтитов GdCoO3 и SmCoO3. Выявлены значительные различия низкотемпературных магнитных свойств, обусловленные различным строением электронных оболочек ионов Sm3+ и Gd3+. Для SmCoO3 определена величина расщепления уровней иона Sm3+ в кристаллическом поле низкой симметрии.

Апробация работы. Основные результаты диссертации были представлены и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах:

Всесоюзное совещания ”Химическая связь, электронная структура и физико-химические свойства полупроводников и полуметаллов”, г. Тверь, 1985; Всесоюзная конференция “Тройные полупроводники и их применение”, Кишинев, 1989;II Всесоюзная конференция по высокотемпературной сверх-проводимости, Киев, ИМ АН УССР, 1989; International conference of Magnetism, Warsaw, Poland, 1994; Всероссийская конференция “Неоднородные электронные состояния”, Новосибирск, ИНХ СО РАН, 1995; Конференция “Твердотельная микроэлектроника”, Фрязино, 1995; 10th International Conference on Ternary and Multinary Compounds, Stuttgart, 1995; XV, XVII, XX Международная школа-семинар “Новые магнитные материалы магнитоэлектроники”, Москва, 1996, 2000, 2006; Евро-Азиатский Симпозиум EASTMAG-2001, 2004, 2007; Второй международный симпозиум “Инновационные технологии-2001: проблемы и перспективы, организация наукоемких производств”, Сочи, 2001; International Conference on Strongly Correlated Electron Systems, Cracow, Poland, 2002 Karlsruhe, Germany, 2004; XXXIII Совещание по физике низких температур, Екатеринбург, 2003; XXX Международная зимняя школа физиков-теоретиков “Коуровка-2004”, Екатеринбург-Челябинск, 2004; Moscow International Symposium on Magnetism (MISM-2005), Moscow, Russia, 2005; IX Международный Симпозиум “Фазовые превращения в металлах и сплавах ОМА-9”, Ростов-на-Дону, 2006.

Результаты работы доложены на семинарах Института неорганической химии CO РАН (г. Новосибирск), Сибирского физико-технического института (г. Томск), Института физики металлов УрО РАН (г. Екатеринбург), объединенного межвузовского физического семинара (г. Красноярск). Также изучаемые в работе проблемы неоднократно обсуждались на научных семинарах Института физики СО РАН (г. Красноярск).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 28 статей в рецензируемых отечественных и зарубежных журналах. Также опубликованы порядка 40 тезисов докладов, получено авторское свидетельство на изобретение.

Личный вклад автора. Автором диссертации сконструирован и настроен мост взаимной индукции для измерения магнитной восприимчивости, изготовлены криогенные измерительные ячейки для исследования магнитных и транспортных свойств, разработаны методики нанесения и тестирования электрических контактов к различным моно- и поликристаллическим образцам. Все измерения электрической проводимости и динамической магнитной восприимчивости выполнены автором. Лично автором синтезированы образцы хромовых шпинелей CuxZn1-xCr2Se4. Также автором работы проделан анализ полного набора экспериментальных данных, их математическая обработка и интерпретация.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. В первой главе приведен обзор литературы по теме исследования, во второй главе описаны методики измерений и приготовления образцов, остальные четыре главы являются оригинальными. Диссертация изложена на 243 страницах, содержит 9 таблиц и 90 рисунков. Библиография состоит из 267 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко рассмотрено научное значение комплексных экспериментальных исследований соединений с сильными электронными корреляциями, дана общая характеристика работы, обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, охарактеризованы научная новизна и практическая значимость работы.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.