01 января 2018г.
Целью данной работы являлось исследование методом мессбауэровской спектроскопии магнитокристаллической анизотропии гексаферрита Sr с замещением части ионов Fe3+ немагнитными ионами Ga3+. Измерения проводились на монокристаллическом образце гексаферрита состава SrFe6Ga6O19, представляющем собой мозаику, составленную из монокристаллических пластинок толщиной 100 мкм с осью С, перпендикулярной плоскости шлифа. Спектры снимались при температуре 100 К как в отсутствие внешнего магнитного поля, так и при наложении на образец поля напряженностью до 13 кЭ. Направление распространения пучка g-квантов источника 57Со в матрице Сr совпадало с осью С кристалла. Для более точного установления положений отдельных резонансных линий мессбауэровского спектра были проведены также измерения для поликристаллических образцов гексаферрита исследуемого состава и незамещенного гексаферрита Sr.
На рис. 1 приведены мессбауэровские спектры поликристаллических образцов гексаферритов
SrFe12O19 и SrFe6Ga6O19 при 100 К. Спектры представляют собой наложение нескольких зеемановских секстетов линий, соответствующих ионам Fe3+, расположенным в различных, неэквивалентных в магнитном отношении, кристаллографических позициях. Близость значений эффективных магнитных полей Hэфф на ядрах ионов Fe в большинстве этих позиций при данной температуре не позволяет идентифицировать в спектрах положения всех линий поглощения (даже в случае незамещенного гексаферрита Sr). В результате математической обработки в спектрах были выделены три секстета линий, обусловленные ионами Fe3+, соответственно в позициях 2b, 12k и 4f1, 4f2, 2а. Как видно из приведенных спектров, замещение ионов Fe3+- ионами Ga3+ сопровождается сильным уширением линий поглощения. Это уширение обуславливается возникающей магнитной неэквивалентностью ионов Fe вследствие различия в распределении немагнитных примесей в их ближайшем катионном окружении. Мессбауэровские параметры исследованных образцов при 100 К приведены в таблице.
Позиция
|
SrFe12O19
|
SrFe6Ga6O19
|
Hэфф, кЭ
|
DE,
мм/с
|
d, мм/с
|
Hэфф, кЭ
|
DE,
мм/с
|
d, мм/с
|
2b
|
425
|
2,10
|
0,57
|
390
|
2,12
|
0,55
|
12k
|
508
|
0,44
|
0,63
|
459
|
0,45
|
0,65
|
4f1, 4f2 и 2a
|
538
|
0,30
|
0,64
|
490
|
0,36
|
0,67
|
Отсутствие резонансных линий, соответствующих ядерным переходам с Dm=0, в спектре
монокристаллического образца гексаферрита SrFe6Ga6O19 (рис. 2, а) свидетельствует о коллинеарном
упорядочении магнитных моментов ионов Fe вдоль гексагональной оси, несмотря на столь значительное
диамагнитное замещение. Наложение на образец вдоль оси С кристалла магнитного поля H=11 кЭ не приводит к качественному изменению вида мессбауэровского спектра. Это дает основание считать
неизменной взаимную ориентацию намагниченностей подрешеток гексаферрита в приложенном внешнем
магнитном поле.
Наложение на образец магнитного поля Н=13 кЭ, перпендикулярного оси С, приводит к появлению в спектре вторых и пятых линий поглощения некоторой интенсивности, что обуславливается отклонением магнитных моментов под действием поля от гексагональной оси, вдоль которой распространяются g-кванты (рис. 2, б). Угол отклонения магнитных моментов, определенный по соотношению интенсивностей линий
магнитной сверхтонкой структуры, оказался одинаковым в пределах ошибки эксперимента для всех
выделяемых подрешеток
гексаферрита и
равным 40±5°.
Об отклонении магнитных моментов свидетельствует и изменение величины измеряемого квадрупольного расщепления для секстетов 2 и 3 (рис. 2, б), обусловленных ионами Fe3+ соответственно в позициях12k, 2а и 4f1, 4f2. Соизмеримость величин электрического квадрупольного и магнитного дипольного взаимодействий для ионов Fe3+ в позициях 2b приводит к сильному искажению относительных положений линий этой подрешетки при наложении внешнего магнитного поля вследствие изменения угла между осью симметрии градиента электрического поля (ГЭП) и направлением Hэфф. Поскольку ось
симметрии
ГЭП в позициях 2b совпадает с гексагональной осью
кристалла, это дает возможность, исходя из степени отклонения линий этой подрешетки от первоначального положения в отсутствие поля,
непосредственно определить величину угла отклонения магнитных моментов. Произведенная оценка угла
отклонения дала значение, сходное с полученным выше.
Коллинеарное
спиновое
упорядочение
при столь
значительной степени замещения
ионов Fe3+ немагнитными ионами Ga3+ и неизменность взаимной ориентации намагниченностей подрешеток при
наложении внешнего магнитного поля можно объяснить характером размещения ионов Ga3+ по узлам
кристаллической решетки. Замещение ионов Fe3+ ионами Ga3+ при х=6 в позициях 12k и 2а, с одной стороны, и
4f1
и 4f2, с другой, происходит равновероятным образом, причем наблюдается преимущественная
локализация
ионов Ga3+ в позициях 4f1 по сравнению
с локализацией
в позициях 4f2 .
Согласно [1] основное ориентирующее влияние на направление магнитных моментов отдельных подрешеток гексаферрита структуры типа М оказывает косвенное обменное взаимодействие Fe(1)—О— Fe(2) между ионами Fe в позициях 2b и 4f2
(рис.3). При замещении Fe3+ ионами Ga3+ величина взаимодействия данного типа должна измениться незначительно, поскольку мала
степень
локализации
ионов
Ga3+ в позициях 4f2. С другой стороны, при ослаблении в результате диамагнитного замещения
взаимодействия типа Fe(4)—О—Fe(3) наличие магнитных ионов в позициях 4f2 также способствует сохранению связи ионов Fe в позициях 12k, оставшихся незамещенными ионами Ga3+, с магнитной системой кристалла в целом посредством косвенного обменного взаимодействия Fe(2)—О—Fe(3).
В данном случае неизменности взаимной ориентации намагниченностей подрешеток будет
справедлива обычная запись зависимости энергии магнитной анизотропии гексагонального кристалла от угла J между вектором намагниченности М и гексагональной осью:
где К1 и К2 — константы
магнитной
анизотропии.
Минимизация выражения для полной энергии кристалла во внешнем магнитном поле Н, перпендикулярном гексагональной оси, при учете в записи энергии анизотропии (1) первого члена разложения приводит к
следующему соотношению для поля магнитной анизотропии На=2К1/М:
На основании полученного соотношения можно оценить Hа по мессбауэровским спектрам, исходя
из
угла отклонения магнитных моментов от оси С кристалла при наложении на образец внешнего магнитного поля. При выводе данного выражения не учитывалась магнитная энергия, связанная с размагничивающим полем, из-за того, что поперечные и продольные размеры монокристаллических
пластинок, составляющих образец исследуемого гексаферрита, намного превышали толщину этих пластинок
и поле
Н налагалось в плоскости
образца.
Исходя из полученного значения угла отклонения, значение
поля магнитной анизотропии гексаферрита SrFe6Ga6O19 при температуре 100 К составило
примерно
20 кЭ, что в пределах ошибки эксперимента совпадает со значением Hа незамещенного гексаферрита Sr при той же температуре [2]. Постоянство значения поля магнитной анизотропии при замещении ионами Ga3+ свидетельствует о том, что наряду с понижением общей намагниченности гексаферрита происходит уменьшение константы магнитной анизотропии. Основной вклад в величину магнитной анизотропии гексаферритов структуры типа М дают ионы Fe, находящиеся в позициях с тригональной симметрией (позиции 2b), при этом константа анизотропии пропорциональна количеству ионов Fe, находящихся в этих позициях. На основании этого можно сделать вывод, что при данной степени замещения ионов Fe3+ немагнитными ионами Ga3+ происходит частичная локализация ионов Ga3+ также и в позициях 2b кристаллической решетки. Однако характер поведения исследуемого гексаферрита во внешнем магнитном поле дает основание полагать, что это замещение незначительно по величине и не приводит к существенному нарушению основных обменных
взаимодействий
в структуре феррита.
Список
литературы
1.
Gorter E. W. Saturation magnetization of some ferrimagnetic oxides with hexagonal crystal structures //Proc. IEEE B. —1957.—V.104. N 5. — P.255—260.
2.
John L„ Muller H. G. The coercivity of hard ferrite single crystals //Phys. status solidi. —1969. —V.35. N
2. —P.723—730.