Справка: Станиславчук, Тарас Николаевич. Спектроскопия редкоземельных ферроборатов RFe3(BO3)4 : диссертация кандидата физико-математических наук : 01.04.05 / Станиславчук Тарас Николаевич; [Место защиты: Ин-т спектроскопии РАН] - Троицк, 2008 - Количество страниц: 117 с. ил. Троицк, 2008 117 c. :
Объем: 117 стр.
Информация: Троицк, 2008
Содержание:
Введение
Глава 1 Обзор литературы
11 Редкоземельные бораты КМз(ВОз)
12 Редкоземельные ионы в кристаллах
13 Принципы фурье-спектроскопии [47]
Глава 2 Эксперимент
21 Фурье-спектрометр BOMEMDA3
22 Фурье-спёктрометр Bruker 125HR
23 Криогенное оборудование
24 Поляризационные измерения
25 Исследуемые образцы
Глава 3 Исследование магнитных фазовых переходов и определение типов магнитных структур ферроборатов методом эрбиевого спектроскопического зонда
31 Спектры зондового иона Ег3+ в RFe3(B03)4: нефелоксетический сдвиг и сила кристаллического поля
32 Магнитные фазовые переходы в RFe3(В03)4 (R=Y, Pr, Gd-Er)
33 Магнитные структуры ферроборатов RFe3(B03)4 (R=Pr, Tb, Y, Er, Ho, Dy)
Глава 4 Оптические спектры в области /^/'переходов в R3+ ионах и кристаллическое поле в
41 Спектры пропускания ориентированных монокристаллов NdFe3(B03)4 в поляризованном излучении: параметры КП и магнитные свойства NdFe3(B03)
42 Спектроскопическое исследование PrFe3(B03)4 Появление линий запрещенных переходов Гг—»Гг во внутреннем магнитном поле
43 Спектры поглощения TbFe3(B03)4 Квазидублет основного состояния иона
44 Спектры поглощения ErFe3(B03)4 Построение схемы энергетических уровней иона Ег3+
45 Структурный фазовый переход в спектрах пропускания EuFe3(B03)4 101 Заключение 107 Список литер атуры
Введение:
Актуальность работы. Редкоземельные (РЗ) ферробораты КРез(ВОз)4 — члены семейства боратов с общей формулой RM3(BC>3)4 (R=Y или La-Lu, М=А1, Ga, Sc, Cr, Fe). Кристаллическая структура этих соединений изоморфна структуре природного минерала хантита и описывается пространственной группой симметрии R32, не содержащей операции инверсии. Наиболее хорошо изученными представителями данного семейства являются алюминиевые I бораты. Они обладают хорошими люминесцентными и нелинейными оптическими свойствами, а также хорошей механической прочностью и химической стойкостью, что делает эти соединения интересными для практических применений. Алюмобораты - это уникальные полифункциональные материалы для нелинейной оптики и лазерной техники. В частности, кристаллы Ndx(Y,Gd)ixAl3(B03)4 и УЬ:УА13(В03)4 используются в качестве нелинейной среды в лазерах с самоудвоением и смешением частот, и в минилазерах. Хотя РЗ ферробораты были синтезированы ещё в 60" годы прошлого века, лишь недавно был достигнут существенный прогресс в технике роста этих кристаллов. Были получены большие совершенные монокристаллы, обладающие такими же замечательными физическими характеристиками, как и кристаллы родственных им алюмоборатов. Это стимулировало интенсивные исследования РЗ ферроборатов различными методами. Всё возрастающий интерес исследователей к этим соединениям связан, прежде всего, с богатыми магнитными свойствами РЗ ферроборатов, которые обусловлены наличием двух взаимодействующих магнитных подсистем (РЗ и железа). Кроме того, как было недавно установлено, РЗ ферробораты принадлежат к новому классу мультиферроиков [1-3]. Это делает соединения КРе3(ВОз)4 интересными не только для исследований, но и для возможных применений.
Магнитные и магнитоэлектрические свойства РЗ ферроборатов очень различны для разных РЗ ионов. Для понимания причины этих различий первостепенное значение имеет знание штарковской структуры уровней и волновых функций РЗ ионов в РЗ ферроборатах. Эти данные могут быть получены методами оптической спектроскопии, в сочетании с расчетами по теории кристаллического поля (КП). С другой стороны, оптическая спектроскопия непосредственно дает информацию о магнитных свойствах. Так, по расщеплению спектральных линий, соответствующих переходам между крамерсовыми дублетами, однозначно фиксируется магнитное упорядочение и, как будет показано в диссертации, определяется тип магнитной структуры.
Из вышесказанного следуют цели данной работы:
1. Выявление магнитных фазовых переходов и определение типов магнитных структур ферроборатов.
2. Определение штарковской структуры уровней РЗ ионов и представлений, по которым преобразуются соответствующие волновые функции.
Метод исследования. Спектры исследуемых соединений в широком интервале температур регистрировались в поляризованном свете с помощью фурье-спектрометров высокого разрешения BOMEMDA3.002 и Bruker 125HR. Далее проводилась компьютерная обработка и анализ полученных данных.
Научная новизна полученных результатов:
1. Впервые обнаружено магнитное упорядочение в ферроборате эрбия, происходящее при температуре 39±1 К как фазовый переход второго рода.
2. Спектроскопическим методом зарегистрировано магнитное упорядочение в монокристаллических образцах ферроборатов празеодима, тербия, европия, диспрозия и гольмия при температурах 31, 41, 35, 39 и 39 К, соответственно.
3. Зарегистрирован фазовый переход первого рода в ферроборате европия при температуре 58 К. Этот переход обусловлен переходом структуры ферробората из высокосимметричной R32 структуры в более низкосимметричную РЗ i21 структуру при понижении температуры.
4. По спектрам иона ТЬ3+ в ТЬРе3(ВОз)4 было выявлено, что его основное состояние представляет собой квазидублет (то есть два близких штарковских уровня), который расщепляется в эффективном магнитном поле, возникающем при магнитном упорядочении.
5. В спектрах ионов Рг в РгРе3(ВОз)4 было обнаружено появление линий, связанных с запрещенными Г2—>Г2 переходами, и показано, что оно обусловлено примешиванием к уровню Г2 волновых функций соседних уровней Г1 внутренним магнитным полем, возникающим при магнитном упорядочении.
6. Из сравнения характера расщепления спектральных линий иона Ег в ферроборатах RFe3(B03)4 (R=Y, Pr, Tb, Dy, Но и Er) и в ферроборате гадолиния, магнитная структура которого известна, сделан вывод об ориентации магнитных моментов железа в магнитоупорядоченном состоянии: для ферроборатов эрбия, иттрия и гольмия реализуется легкоплоскостная структура, а для ферроборатов тербия, диспрозия и празеодима — легкоосная.
7. Из анализа широко диапазонных спектров поглощения исследуемых ферроборатов в поляризованном излучении определены положения штарковских уровней ионов неодима, празеодима, тербия и эрбия, а для ионов неодима и празеодима определены еще и представления, по которым преобразуются волновые функции этих уровней.
8. На основе полученных данных о системе штарковских уровней РЗ ионов был выполнен расчет по теории КП (Б.З.Малкин, наш соавтор). Из расчета были получены, в частности, параметры КП, а также волновые функции и g-факторы для уровней РЗ ионов. Результаты расчета указывают на первостепенную роль одноионной анизотропии РЗ ионов в установлении того или иного типа магнитной структуры.
Положения, выносимые на защиту:
1. Спектроскопическим методом зарегистрировано магнитное упорядочение в монокристаллах ферроборатов иттрия, неодима, празеодима, тербия, эрбия, европия, диспрозия и гольмия при температурах 38, 33, 31, 41, 39, 35, 39 и 39 К, соответственно. Путем сравнения спектров зондового иона эрбия в ферроборате гадолиния, магнитная структура которого известна, и в других исследуемых ферроборатах был сделан вывод о характере их магнитных структур: в ферроборатах эрбия, иттрия и гольмия реализуется легкоплоскостная структура, а в ферроборатах тербия, диспрозия и празеодима — легкоосная.
2. Из анализа широкодиапазонных спектров поглощения исследуемых ферроборатов в поляризованном излучении определены положения штарковских уровней ионов неодима, празеодима, тербия и эрбия в диапазоне энергий от 1500 см"1 до 23000 см"1, а для ионов неодима и празеодима определены еще и симметрии этих уровней. Эти данные составили основу для расчетов по теории КП. Из расчетов были получены, в частности, параметры КП, а также волновые функции и g-факторы РЗ ионов. Результаты расчетов I указывают на первостепенную роль магнитной анизотропии РЗ ионов в установлении того или иного типа магнитной структуры.
Практическое значение полученных результатов.
Знание штарковской системы уровней и волновых функций РЗ ионов, а также параметров КП может быть использовано при теоретическом анализе свойств ферроборатов, в частности при объяснении природы наблюдаемого в ферроборатах манитоэлектрического эффекта.
Апробация результатов диссертации. Результаты исследования, представленные в диссертации докладывались на научных конференция МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» (Москва 20042007 г.), Moscow International Conference on Magnetism 2005, Международной Конференции Молодых ученых и специалистов "Оптика - 2005" (Санкт Петербург), XX международной юбилейной школе-семинар «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (Москва 2006), 6th International Conference on f-elements (Wroclaw, Poland 2006), Всероссийской конференции «Оптика и спектроскопия конденсированных сред» (Краснодар 2006, 2007 г.), XIII Feofilov Symposium on spectroscopy of crystals doped by rare earth and transition metal ions (Irkutsk 2007). Работы по теме диссертации были отмечены I премией на конкурсе молодых ученных ИСАЯ (Троицк 2005 г.) и II премией на конкурсе памяти академика А.П. Александрова в ГНЦ РФ ТРИНИТИ (Троицк 2008 г.)
Публикации. Основные результаты диссертации представлены в 6 статьях [4-9], 5 из которых входят в Перечень ВАК, а также в тезисах трудов 11 научных конференций [10-20].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Полный объем диссертации составляет 116 страниц, включая 68 рисунков и 15 таблиц. Список литературы содержит 83 наименования.
