Исследование особенностей акустических, магнитных и электрических свойств магнитного полупроводника La0, 825 Sr0, 175 MnO3 вблизи структурных и магнитного фазовых переходов

В последние годы резко возрос интерес к физическим свойствам перовскитоподобных манганитов типа R^AxMnC^ (R = редкоземельные ионы La, Pr, NdА — щелочноземельные ионы (Sr, Ca, Ba), которые относятся к классу магнитных полупроводников [1−3]. Можно выделить две причины значительного внимания к манганитам. Во — первых, наличие металлического типа проводимости и ферромагнетизма ниже точки магнитного фазового перехода. Изучение переходов диэлектрик — полупроводник — металл, несомненно, важно с фундаментальной точки зрения [4,5]. Во-вторых, явление колоссального магнетосопротивления (KMC) до 105%, наблюдаемое в этих соединениях, имеет очевидный потенциал для практических применений. Именно эти две причины привели к публикации нескольких сотен экспериментальных и теоретических работ, часть результатов которых изложены в обзорах [6−8].

В первое время (1990; 1995 годы) основное внимание было обращено изучению влияния внешнего магнитного поля на транспортные характеристики носителей, т. е. собственно эффекту KMC [9]. Теоретическое обоснование явления KMC строилось на модели двойного обмена, предложенной Зенером [10]. Позднее стало очевидным, что понять природу KMC можно только на основе комплексного изучения кристаллической, электронной, магнитной структур манганитов и их трансформации в зависимости от концентрации двухвалентных щелочноземельных ионов и внешних воздействий, в первую очередь температуры и магнитного поля. Более того, было установлено, что взаимосвязь электронной, магнитной и упругой подсистем определяет большинство необычных физических свойств манганитов. В частности, с этим, по — видимому, связано близкое соседство спинового, орбитального и зарядового упорядочений со структурными фазовыми переходами. Описание свойств каждой из перечисленных подсистем занимает отдельный и довольно значительный раздел физики твердого тела, поэтому для изучения природы KMC потребовался комплексный подход с привлечением большого числа различных методов.

Несмотря на многочисленность исследований до настоящего времени нет полной картины физической природы KMC и механизма температурного изменения сопротивления. В настоящее время существуют две, во многом альтернативные модели, эффекта KMC. В первой из них KMC объясняется с помощью усовершенствования модели двойного обмена, дополненной эффектом ян-теллеровского искажения кристаллической решетки [10,11]. По второй модели, «разделения фаз,» KMC считается следствием одновременного сосуществования пространственно-разделенных ферромагнитной и антиферромагнитной областей [6]. Характер развития экспериментальных исследований манганитов во многом повторил путь изучения ВТСП. В начале исследовались в основном поликристаллы, керамические образцы, а уже затем началось изучение монокристаллов. Хотя к настоящему времени выполнено большое количество исследований по магнитным, электрическим, оптическим и упругим свойствам манганитов, но даже для одних и тех же составов экспериментальные данные различаются. Положение усугубляется и тем обстоятельством, что большинство экспериментов выполнялось с помощью только одного или двух методов.

Значительная часть исследований по манганитам выполнена на лантанстронциевых образцах Lai-X SrxMn03 состава 0.13 <х<0.3, поскольку их фазовая диаграмма обладает большим разнообразием. Однако выполненные до настоящего времени работы не дали четкого ответа не только на происхождение KMC, но и о характере и особенностях структурных и магнитного фазовых переходов. В частности, наиболее неясной оставалась температурная зависимость структурных переходов в пограничной области концентраций ионов стронция (0.17−0.18), разделяющей диэлектрическую и металлическую фазы. Наряду с магнитными, электрическими, оптическими методами, дифракцией нейтронов, ЭПР и ЯМР спектроскопией важную роль в изучении манганитов могут сыграть и акустические исследования. Ранее эти возможности уже были продемонстрированы при изучении магнитных и структурных фазовых переходов и критических точек в ряде сегнетоэлектриков и магнетиков [12]. В частности, экспериментальное изучение структурных фазовых переходов в парамагнитной фазе наиболее успешно может быть осуществлено либо с использованием нейтронно-дифракционной спектроскопии, либо ультразвуковой спектроскопии. На эффективность применения ультразвука в таких исследованиях уже указывалось в обзоре Кугеля и Хомского [13]. К началу наших исследований (1999г) первый метод, по нашим сведениям, только начал применяться для изучения беспримесного LaMn03[14], а акустические исследования были выполнены для ряда лантан — стронциевых и лантанкальциевых манганитов [15−20]. Однако результаты первых акустических исследований лантан — стронциевых манганитов содержали противоречивые факты по температурной зависимости структурных переходов и их отнесении к тем или иным кристаллографическим состояниям. Одной из причин этого было использование низкочастотной акустической спектроскопии (f ~ 1МГц,), поскольку при излучении ультразвуковых волн в непрерывном режиме трудно различить отдельные акустические моды. Кроме того, акустические исследования в большинстве своем не сопровождались измерением других (электрических, магнитных) параметров образцов.

Таким образом, представлялось актуальным проведение комплексных экспериментальных исследований упругих, магнитных и электрических характеристик манганита лантана (х = 0.175) с привлечением ряда экспериментальных методов, в том числе и ультразвуковых исследований на более высоких частотах (700 — 800) МГц. Значительное уменьшение длины акустической волны до нескольких мкм позволяло надеяться на обнаружение и более тонких эффектов взаимодействия ультразвука с кристаллической структурой.

Цель работы состояла в исследовании акустических, магнитных и электрических свойств манганита лантана состава Lao, 875Sro, i75Mn03 вблизи фазовых переходов и связи этих свойств с кристаллографической, магнитной и электронной структурами.

Для выполнения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

— разработать комплекс измерительной аппаратуры и методики проведения ультразвуковых исследований на частотах (700 — 800) МГц.

— экспериментальное изучение акустических характеристик монокристаллического образца манганита лантана состава La0 825Sro.i75Mn03 вблизи структурных и магнитного фазовых переходов;

— обработка результатов магнитных измерений, проведенных на этом образце, по модели, учитывающей существование магнитных неоднородностей.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующих результатах:

1. Обнаружены резкие изменения в скорости и затухании акустических волн в диапазонах температур (297−305)К, (275−295)К и (200−220)К. Установлено, что температурные аномалии акустических характеристик с центрами при Т= 282К и Т= 205К совпадают с аномалиями магнитных и электрических характеристик образца.

2. Обнаружено влияние приложенного магнитного поля на скорость и затухание акустических волн вблизи и ниже температуры магнитного фазового перехода. Установлено, что температурный диапазон изменения скорости и затухания в магнитном поле соответствует температурному диапазону существования колоссального магнетосопротивления.

— 93. Обнаружено и исследовано преобразование в окрестности магнитного фазового перехода импульса продольной акустической волны в два импульса, первый из которых сохраняет свою фазовую скорость, а скорость второго соответствует скорости поперечной акустической волны. 4. Предложено объяснение падающего участка на температурной зависимости магнитной восприимчивости, которое было обнаружено на нашем образце.

Практическая значимость. Спроектированная экспериментальная установка для исследований распространения акустических волн в частотном диапазоне (700 — 1000) МГц и в магнитных полях до ЮкЭ в температурном диапазоне (320 — 4.2)К может найти применение для изучения разнообразных магнитоупорядоченных сред. Обнаруженное резкое температурное изменение скорости и затухания ультразвуковых волн вблизи 300К может быть использовано для управления ультразвуковыми пучками (модуляция и переключение пучков). Выполненный в диссертации анализ результатов измерений температурной зависимости магнитной восприимчивости может быть использован для изучения динамики процессов перемагничивания монодоменных ферромагнетиков и для неразрушаюшего контроля качества механических свойств изделий и ферромагнитных материалов.

На защиту вынесены следующие положения:

1. Обнаруженное разделение импульса продольной волны на два импульса связано с возникновением магнитоупругой моды вследствие возрастания намагниченности вблизи температуры магнитного фазового перехода из парамагнитного в ферромагнитное состояние.

2. Обнаруженное аномальное изменение скорости и затухания акустических волн в температурном диапазоне Т= (300 —310)К связано с изменением искажений кристаллической решетки за счет ян-теллеровского эффекта и соответствует температуре максимума электрического сопротивления. По температурному гистерезису это фазовый переход первого рода.

— 103. Обнаруженные изменения скорости и затухания акустических волн вблизи Т= 282К относятся к магнитному фазовому переходу из парамагнитного в ферромагнитное состояние, сопровождающееся переходом от полупроводниковой к металлической проводимости.

4. Обнаруженные акустические и магнитные аномалии в температурном диапазоне Т = (180−220)К связаны со структурным фазовым переходом первого рода из ромбоэдрического в орторомбическое состояние в ферромагнитной фазе.

5. Обнаруженная аномальная температурная зависимость восприимчивости в диапазоне Т= (100−250)К в магнитном поле, меньшем поля насыщения, обусловлена процессами вращения намагниченностей в доменах послезавершения процессов смещения доменных границ.

Достоверность результатов работы определяется совместным использованием ряда экспериментальных методик, непротиворечивостью полученных результатов и их согласием с существующими теоретическими моделями.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международной конференции &bdquo-Эффект Мессбауэра: магнетизм, материаловедение, гамма-оптика (Казань, 26июня-1июля 2000 г.) — Евро-Азиатском симпозиуме &bdquo-Прогресс в магнетизме" EASTMAG-2001(Екатеренбург, 27 февраля — 2 марта 2001) — Международном симпозиуме по волновой электронике (Санкт-Петербург, 14−18 сентября 2001) — Международной школе по теоретической физике «Коуровка — 2002» — Итоговой научной конференции КФТИ КазНЦ РАН 2001 г.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 4х научных статьях и 4х тезисах международных конференций.

Личный вклад автора диссертации состоит: • участие в создании импульсного акустического спектрометра на рабочий диапазон частот (700 — 800) МГц. Длительность импульсов регулируется в пределах (0.1-г 1) мкс, максимальная мощность в импульсе-1 кВт, чувствительность ~ 1мкВт;

• проведение измерений акустических параметров образца манганита лантана указанного выше состава и интерпретация полученных результатов;

• участие в обработке данных магнитных измерений, выполненных на этом образце, по модели, учитывающей существование магнитных неоднородностей.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, трех глав и заключениясодержит 106 страниц текста и в том числе 36 рисунков, список литературы из 50 наименований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. В результате проведенных экспериментальных исследований распространения ультразвуковых волн обнаружен структурный фазовый переход в лантанстронциевом манганите с х = 0.175 в парамагнитной фазе. По температурному гистерезису установлено, что он относится к структурному фазовому переходу первого рода.

2. Обнаружена и исследована трансформация продольной акустической волны вблизи магнитного фазового перехода в две моды. Установлено, что одна из них относится к продольным колебаниям, а вторая относится к магнитоупругим колебаниям. Показано, что магнитоупругая мода связана с возникновением намагниченности вблизи Тс.

3. Обнаружено влияние магнитного поля на скорость и затухание акустических волн ниже магнитного фазового перехода, которое соответствует температурным аномалиям в намагниченности и объясняет структурный фазовый переход в ферромагнитной фазе.

4. Предложена модель, позволяющая объяснить падающий участок на температурной зависимости магнитной восприимчивости процессами вращения намагниченностей в доменах.

5. Разработанные комплекс аппаратуры и методики акустических исследований на частотах (700- 800) МГц в магнитных полях не только позволили обнаружить ряд новых эффектов в манганите, но и могут найти широкое использование при исследовании динамики кристаллической решетки, фазовых переходов, магнитоакустических эффектов в широком классе кристаллов.

— 98———Авторвыражает искреннюю благодарность-научным—руководителямдоктору физико — математических наук Михаилу Ивановичу Куркину и доктору физико — математических наук Масгуту Мазитовичу Шакирзянову за предложенную тему и руководство работой.

В особенности автор благодарен профессору Вадиму Алексеевичу Голенищеву — Кутузову за плодотворное и творческое участие при выполнении работы.

Автор глубоко благодарен всему коллективу лаборатории Резонансных явлений и института за полезное обсуждение и дискуссии, и сотрудникам ИФМ УрО РАН (Королеву А.В., Елохиной А. В., Нейфельду Г.) за выполнение ряда измерений намагниченности, магнитной восприимчивости и сопротивления.

— 99————АВТОРСКИЙ СШСОК ПУБЛИКАЦИЙ.

А1. Богданова Х. Г., Булатов А. Р., Голенищев — Кутузов В. А., Леонтьев В. Е., Назипов М. Р., Шакирзянов М. М. Магнитоакустические эффекты в мангантах La^S^MnOg //Тезисы докладов международной конференции «Эффект Месбауэра»: магнетизм, материаловедение, гамма — оптика. Казань.-2000,-С.85.

А2. Bulatov A.R., Golenishchev — Kutuzov V.A. Propagation of ultrasound waves in the vicinity of phase transitions in manganite crystals// Abstract of the International Forum on wave Electronics and I Applications in the Information’s and Telecommunication Systems. St. Peterburg. -2000. — P.9.

A3. Голенищев — Кутузов В. А., Булатов A.P. // Тезисы докладов Международной школы — симпозиума по теоретической физике &bdquo-Коурова — 2002″. Екатеринбург. -2002. — С. 16.

А4. Bogdanova Kh.G., BulatovA.R., Golenishchev — Kutuzov V.A., Leont’ev V.E., NazipovM.R., Shakirzyanov M.M. Propagation of ultrasound waves in the vicinity of phase transition in manganite perovskites //Abstract Book of the Euro-Asian Symposium «Trends in magnetism». Ekaterinburg. -2001,—P.114.

A5. БогдановаХ.Г., Булатов A.P., Голенищев-Кутузов В.А., Шакирзянов М. М. Особенности распространения высокочастотного ультразвука в Ьа^^МпОз fx = 0.175-// ФТТ. — 2001, — Т.43.-№ 8, — С. 1512 — 1515.

А6. Bogdanova Kh.G., Bulatov A.R., Golenishchev — Kutuzov V.A., Kapralov A.Y., Shakirzyanov M.M. Propagation of ultrasound waves in the vicinity of phose transition in manganite perovskites // The Physics Mettals and Metallography. — 2001. V.91. — Suppl. 1. — P. S212 — S213.

A7. Богданова X.Г., Булатов A.P., Голенищев — Кутузов В. А.,.

ГоленищевКутузов А.В., Капралов А. В. Акустические аномалии.

— 100вблизи структурных—————магнитных— фазовых переходов——в манганите // Акустический журнал. -2002. -N95. — С. 596 — 601. А8. Булатов А. Р., Капралов А. В. Магнитные свойства манганита LaSrMn03 // Известия Вузов. Проблемы энергетики. — 2002; № 7−8. —С.79 — 82.