Особенности смешанных магнитных состояний в образцах системы (La,Bi)MnO3+δ

Исследованы электрические, магниторезистивные и резонансные свойства поликристаллических образцов La1−xBixMnO3+δ (x = 0—0,6). Обнаружено, что увеличение содержания висмута приводит к увеличению размеров элементарной кристаллической ячейки, повышению удельного электрического сопротивления и снижению...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2011
Hauptverfasser:	Товстолыткин, А.И., Погорелый, А.Н., Подъяловский, Д.И., Полек, Т.И., Тарасенко, Т.Н., Каменев, В.И., Демиденко, О.Ф., Маковецкий, Г.И., Янушкевич, К.И.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2011
Schriftenreihe:	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/74265
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Особенности смешанных магнитных состояний в образцах системы (La,Bi)MnO3+δ / А.И. Товстолыткин, А.Н. Погорелый, Д.И. Подъяловский, Т.И. Полек, Т.Н. Тарасенко, В.И. Каменев, О.Ф. Демиденко, Г.И. Маковецкий, К.И. Янушкевич // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2011. — Т. 9, № 1. — С. 115-128. — Бібліогр.: 19 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-74265
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-742652025-02-09T13:49:31Z Особенности смешанных магнитных состояний в образцах системы (La,Bi)MnO3+δ Features of Mixed Magnetic States in Samples of (La,Bi)MnO₃₊δ System Товстолыткин, А.И. Погорелый, А.Н. Подъяловский, Д.И. Полек, Т.И. Тарасенко, Т.Н. Каменев, В.И. Демиденко, О.Ф. Маковецкий, Г.И. Янушкевич, К.И. Исследованы электрические, магниторезистивные и резонансные свойства поликристаллических образцов La1−xBixMnO3+δ (x = 0—0,6). Обнаружено, что увеличение содержания висмута приводит к увеличению размеров элементарной кристаллической ячейки, повышению удельного электрического сопротивления и снижению температуры зарождения ферромагнитной фазы TC. Показано, что фазовый переход между парамагнитной и ферромагнитной фазами осуществляется путём плавного перераспределения объёмов пара- и ферромагнитных областей в широком интервале температур. Установлено, что температурный диапазон сосуществования двух фаз, рассчитанный в единицах TC, расширяется с ростом x. Показано, что в области смешанного состояния магнитное поле особенно сильно влияет на электрическую проводимость материала. Досліджено електричні, магнеторезистивні та резонансні властивості полікристалічних зразків La1−xBixMnO3+δ (x = 0—0,6). Виявлено, що збільшення вмісту бисмуту призводить до збільшення розмірів елементарної кристалічної комірки, підвищення питомого електричного опору і зниження температури зародження феромагнетної фази TC. Показано, що фазовий перехід між парамагнетною і феромагнетною фазами відбувається шляхом плавного перерозподілу об’ємів пара- і феромагнетних областей у широкому інтервалі температур. Установлено, що температурний діяпазон співіснування двох фаз, розрахований в одиницях TC, розширяється з ростом x. Показано, що в області змішаного стану магнетне поле особливо сильно впливає на електричну провідність матеріялу. Electrical, magnetoresistive, and resonance properties of La1−xBixMnO3+δ (x = 0—0.6) polycrystalline samples are studied. As revealed, the increase in bismuth content results in the growth of the parameters of elementary unit cell, the increase in electrical resistivity, and the decrease in the temperature of ferromagnetic-phase nucleation (TC). As shown, the phase transition between paramagnetic and ferromagnetic phases occurs by means of a smooth redistribution of the volumes of para- and ferromagnetic regions over a wide temperature range. As demonstrated, the temperature region of the coexistence of two phases calculated in the units of TC widens with the x growth. As revealed, magnetic field has an especially strong effect on the electrical conductivity of the material within the region of a mixed state. Работа поддержана Государственным фондом фундаментальных исследований Украины (проект № Ф41.1/020) и ФФИ Республики Беларусь (проект № Ф11К-054). 2011 Article Особенности смешанных магнитных состояний в образцах системы (La,Bi)MnO3+δ / А.И. Товстолыткин, А.Н. Погорелый, Д.И. Подъяловский, Т.И. Полек, Т.Н. Тарасенко, В.И. Каменев, О.Ф. Демиденко, Г.И. Маковецкий, К.И. Янушкевич // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2011. — Т. 9, № 1. — С. 115-128. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. 1816-5230 PACS numbers: 61.05.cp, 61.05.Qr, 61.72.Hh, 75.30.Kz, 75.47.Gk, 75.47.Lx, 76.30.-v https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/74265 ru Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології application/pdf Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Исследованы электрические, магниторезистивные и резонансные свойства поликристаллических образцов La1−xBixMnO3+δ (x = 0—0,6). Обнаружено, что увеличение содержания висмута приводит к увеличению размеров элементарной кристаллической ячейки, повышению удельного электрического сопротивления и снижению температуры зарождения ферромагнитной фазы TC. Показано, что фазовый переход между парамагнитной и ферромагнитной фазами осуществляется путём плавного перераспределения объёмов пара- и ферромагнитных областей в широком интервале температур. Установлено, что температурный диапазон сосуществования двух фаз, рассчитанный в единицах TC, расширяется с ростом x. Показано, что в области смешанного состояния магнитное поле особенно сильно влияет на электрическую проводимость материала.
format	Article
author	Товстолыткин, А.И. Погорелый, А.Н. Подъяловский, Д.И. Полек, Т.И. Тарасенко, Т.Н. Каменев, В.И. Демиденко, О.Ф. Маковецкий, Г.И. Янушкевич, К.И.
spellingShingle	Товстолыткин, А.И. Погорелый, А.Н. Подъяловский, Д.И. Полек, Т.И. Тарасенко, Т.Н. Каменев, В.И. Демиденко, О.Ф. Маковецкий, Г.И. Янушкевич, К.И. Особенности смешанных магнитных состояний в образцах системы (La,Bi)MnO3+δ Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
author_facet	Товстолыткин, А.И. Погорелый, А.Н. Подъяловский, Д.И. Полек, Т.И. Тарасенко, Т.Н. Каменев, В.И. Демиденко, О.Ф. Маковецкий, Г.И. Янушкевич, К.И.
author_sort	Товстолыткин, А.И.
title	Особенности смешанных магнитных состояний в образцах системы (La,Bi)MnO3+δ
title_short	Особенности смешанных магнитных состояний в образцах системы (La,Bi)MnO3+δ
title_full	Особенности смешанных магнитных состояний в образцах системы (La,Bi)MnO3+δ
title_fullStr	Особенности смешанных магнитных состояний в образцах системы (La,Bi)MnO3+δ
title_full_unstemmed	Особенности смешанных магнитных состояний в образцах системы (La,Bi)MnO3+δ
title_sort	особенности смешанных магнитных состояний в образцах системы (la,bi)mno3+δ
publisher	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
publishDate	2011
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/74265
citation_txt	Особенности смешанных магнитных состояний в образцах системы (La,Bi)MnO3+δ / А.И. Товстолыткин, А.Н. Погорелый, Д.И. Подъяловский, Т.И. Полек, Т.Н. Тарасенко, В.И. Каменев, О.Ф. Демиденко, Г.И. Маковецкий, К.И. Янушкевич // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2011. — Т. 9, № 1. — С. 115-128. — Бібліогр.: 19 назв. — рос.
series	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
work_keys_str_mv	AT tovstolytkinai osobennostismešannyhmagnitnyhsostoânijvobrazcahsistemylabimno3d AT pogorelyjan osobennostismešannyhmagnitnyhsostoânijvobrazcahsistemylabimno3d AT podʺâlovskijdi osobennostismešannyhmagnitnyhsostoânijvobrazcahsistemylabimno3d AT polekti osobennostismešannyhmagnitnyhsostoânijvobrazcahsistemylabimno3d AT tarasenkotn osobennostismešannyhmagnitnyhsostoânijvobrazcahsistemylabimno3d AT kamenevvi osobennostismešannyhmagnitnyhsostoânijvobrazcahsistemylabimno3d AT demidenkoof osobennostismešannyhmagnitnyhsostoânijvobrazcahsistemylabimno3d AT makoveckijgi osobennostismešannyhmagnitnyhsostoânijvobrazcahsistemylabimno3d AT ânuškevički osobennostismešannyhmagnitnyhsostoânijvobrazcahsistemylabimno3d AT tovstolytkinai featuresofmixedmagneticstatesinsamplesoflabimno3dsystem AT pogorelyjan featuresofmixedmagneticstatesinsamplesoflabimno3dsystem AT podʺâlovskijdi featuresofmixedmagneticstatesinsamplesoflabimno3dsystem AT polekti featuresofmixedmagneticstatesinsamplesoflabimno3dsystem AT tarasenkotn featuresofmixedmagneticstatesinsamplesoflabimno3dsystem AT kamenevvi featuresofmixedmagneticstatesinsamplesoflabimno3dsystem AT demidenkoof featuresofmixedmagneticstatesinsamplesoflabimno3dsystem AT makoveckijgi featuresofmixedmagneticstatesinsamplesoflabimno3dsystem AT ânuškevički featuresofmixedmagneticstatesinsamplesoflabimno3dsystem
first_indexed	2025-11-26T12:45:40Z
last_indexed	2025-11-26T12:45:40Z
_version_	1849857047926931456
fulltext	115 PACS numbers: 61.05.cp, 61.05.Qr,61.72.Hh,75.30.Kz,75.47.Gk,75.47.Lx, 76.30.-v Особенности смешанных магнитных состояний в образцах системы (La,Bi)MnO3+δ А. И. Товстолыткин, А. Н. Погорелый, Д. И. Подъяловский, Т. И. Полек, Т. Н. Тарасенко , В. И. Каменев , О. Ф. Демиденко , Г. И. Маковецкий , К. И. Янушкевич ** Институт магнетизма НАН Украины, бульв. Акад. Вернадского, 36б, 03142 Киев, Украина Донецкий физико-технический институт НАН Украины, ул. Р. Люксембург, 72, 83114 Донецк, Украина *Научно-практический центр НАН Беларуси по материаловедению, ул. П. Бровки, 19, 220072 Минск, Беларусь Исследованы электрические, магниторезистивные и резонансные свой- ства поликристаллических образцов La1−xBixMnO3+δ (x = 0—0,6). Обнару- жено, что увеличение содержания висмута приводит к увеличению раз- меров элементарной кристаллической ячейки, повышению удельного электрического сопротивления и снижению температуры зарождения ферромагнитной фазы TC. Показано, что фазовый переход между пара- магнитной и ферромагнитной фазами осуществляется путём плавного пе- рераспределения объёмов пара- и ферромагнитных областей в широком интервале температур. Установлено, что температурный диапазон сосу- ществования двух фаз, рассчитанный в единицах TC, расширяется с ро- стом x. Показано, что в области смешанного состояния магнитное поле особенно сильно влияет на электрическую проводимость материала. Досліджено електричні, магнеторезистивні та резонансні властивості по- лікристалічних зразків La1−xBixMnO3+δ (x = 0—0,6). Виявлено, що збіль- шення вмісту бисмуту призводить до збільшення розмірів елементарної кристалічної комірки, підвищення питомого електричного опору і зни- ження температури зародження феромагнетної фази TC. Показано, що фазовий перехід між парамагнетною і феромагнетною фазами відбуваєть- ся шляхом плавного перерозподілу об’ємів пара- і феромагнетних облас- тей у широкому інтервалі температур. Установлено, що температурний діяпазон співіснування двох фаз, розрахований в одиницях TC, розширя- Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies 2011, т. 9, № 1, сс. 115—128 © 2011 ІМФ (Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України) Надруковано в Україні. Фотокопіювання дозволено тільки відповідно до ліцензії 116 А. И. ТОВСТОЛЫТКИН, А. Н. ПОГОРЕЛЫЙ, Д. И. ПОДЪЯЛОВСКИЙ и др. ється з ростом x. Показано, що в області змішаного стану магнетне поле особливо сильно впливає на електричну провідність матеріялу. Electrical, magnetoresistive, and resonance properties of La1−xBixMnO3+δ (x = 0—0.6) polycrystalline samples are studied. As revealed, the increase in bismuth content results in the growth of the parameters of elementary unit cell, the increase in electrical resistivity, and the decrease in the temperature of ferromagnetic-phase nucleation (TC). As shown, the phase transition be- tween paramagnetic and ferromagnetic phases occurs by means of a smooth redistribution of the volumes of para- and ferromagnetic regions over a wide temperature range. As demonstrated, the temperature region of the coexist- ence of two phases calculated in the units of TC widens with the x growth. As revealed, magnetic field has an especially strong effect on the electrical con- ductivity of the material within the region of a mixed state. Ключевые слова: замещённые манганиты, переход парамагнетик— ферромагнетик, магнитный резонанс, магнитный фазовый состав. (Получено 19 октября 2010 г.) 1. ВВЕДЕНИЕ В последнее время особый интерес в физике твёрдого тела представ- ляет изучение смешанных состояний, которые характеризуются сосуществованием фаз с различными видами структурного, маг- нитного и/или электронного упорядочения на микро- и наномас- штабном уровнях [1, 2]. С одной стороны, работы в этом направле- нии позволяют глубже взглянуть на природу и свойства каждой из сосуществующих фаз. С другой стороны, они могут привести к об- наружению новых эффектов, так как в смешанном состоянии даже небольшое внешнее возбуждение может вызвать существенное из- менение свойств материала [1—3]. Замещённые манганиты со структурой перовскита La1−xAxMnO3 (A – щелочной или щёлочноземельный элемент) являются ярким примером материалов, в которых смешанные состояния наблюда- ются в широком температурном и концентрационном диапазонах [3, 4]. В частности, результатом сосуществования фаз, характери- зующихся различным магнитным упорядочением и электрической проводимостью, является колоссальное магнитосопротивление: в этих материалах относительно небольшое изменение магнитного поля может приводить к существенному (на несколько порядков) изменению электрического сопротивления [1, 3, 4]. Интерес к изучению висмутсодержащих манганитов лантана обу- словлен тем фактом, что они являются удобными модельными объ- ектами для решения фундаментальных задач взаимодействия маг- нитной и электрической подсистем [5—7]. К настоящему времени свойства этих веществ в окрестности температуры магнитного пре- СМЕШАННЫЕ МАГНИТНЫЕ СОСТОЯНИЯ В ОБРАЗЦАХ СИСТЕМЫ (La,Bi)MnO3+δ 117 вращения «магнитный порядок—магнитный беспорядок» изучены недостаточно. В данной работе для исследования особенностей трансформации магнитного фазового состава вблизи температуры магнитного превращения и углубления анализа связи магнитного состояния с электрическими и магниторезистивными свойствами поликристаллических образцов La1−xBixMnO3+δ применён метод маг- нитного резонанса. Цель работы – установление закономерностей трансформации магнитного состояния в области перехода от парамагнитного беспо- рядка к ферромагнитному упорядочению, а также изучение взаи- мосвязи между характерными особенностями магнитного превра- щения и магниторезистивными свойствами составов системы La1−xBixMnO3+δ. 2. ОБРАЗЦЫ И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА Образцы системы La1−xBixMnO3+δ (x = 0, 0,2, 0,4, 0,6) были приго- товлены методом твердофазного синтеза на воздухе из порошкооб- разных оксидов α-Bi2O3, La2O3 и MnO2 высокой степени чистоты. La2O3 предварительно был прокалён при 950°С в течение 3 часов, Bi2O3 и MnO2 – при 500°С в течение 3 часов. Полученная шихта спрессовывалась в брусочки размером 5×5×15 мм 3, которые разме- щались на подложке из платинородиевой проволоки, и подверга- лась предварительному обжигу при 800°С в течение 12 часов. После этого образцы были размолоты, спрессованы с пластификатором в брусочки и подвергнуты спеканию при 1000°С в течение 30 часов. Кристаллическую структуру и фазовый состав полученных об- разцов определяли рентгенографическим методом на дифрактомет- ре ДРОН-1.5 в излучении NiKα и модифицированном дифрактомет- ре ДРОН-2 в режиме набора информации по точкам в CuKα – излу- чении на порошках. Время набора информации в точке составляло Δτ = 3 секунды, шаг сканирования по углу Δ2θ = 0,03°. При необхо- димости получения более чётких профилей рефлексов применён режим съёмки: Δτ = 5 секунд, Δ2θ = 0,01°. При обработке рентгено- грамм использован метод полнопрофильного анализа всех дифрак- ционных рефлексов исследуемого диапазона углов 2θ. Электрическое сопротивление образцов измеряли четырехзондо- вым методом в температурном интервале 77—350 К. Серебряные контакты наносили методом магнетронного напыления. Магнето- сопротивление (MR) измеряли в магнитных полях с индукцией до 1,5 Т и вычисляли по формуле: MR = (R0 − RB)/R0⋅100%, где R0 – электрическое сопротивление в нулевом поле, а RB – в поле с ин- дукцией B. Для получения резонансных спектров использовали спектрометр электронного парамагнитного резонанса ELEXSYS E500 (Bruker 118 А. И. ТОВСТОЛЫТКИН, А. Н. ПОГОРЕЛЫЙ, Д. И. ПОДЪЯЛОВСКИЙ и др. BioSpin GmbH, Germany) с рабочей частотой ν = 9,44 ГГц. Образцы для резонансных исследований были вырезаны в форме пластин со сторонами 0,8×3,5×4,6 мм 3. Спектры электронного спинового резо- нанса (ЭСР) были исследованы в температурном интервале 90— 300 К для всех образцов, синтезированных в данной работе. Иссле- дования выполняли для двух ориентаций внешнего магнитного по- ля: (1) внешнее поле приложено параллельно наибольшей грани пластины (параллельный случай) и (2) внешнее поле приложено перпендикулярно ей (перпендикулярный случай). 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБСУЖДЕНИЕ 3.1. Рентгеноструктурные исследования Рентгеноструктурные исследования показали, что все образцы яв- ляются структурно однофазными и характеризуются структурой де- формированного перовскита; примесных фаз обнаружено не было. Однако результаты рентгеновской дифракции допускают двоякую интерпретацию относительно симметрии и параметров кристалличе- ской решётки. Ниже будут изложены оба варианта интерпретации. Анализ данных, полученных в NiKα-излучении, показывает, что образцы имеют кристаллическую структуру перовскита с ромбоэд- рическими искажениями (S.G.: 3R m ), что соответствует результа- там работ [5, 8]. С изменением содержания висмута x от 0,1 до 0,2 степень ромбоэдрических искажений уменьшается. Образцы с x = 0,4 и 0,6 имеют псевдокубическую кристаллическую структуру перовскита. Кристаллографические параметры, полученные в ре- зультате обработки этих данных, приведены в табл. 1. Согласно рентгенографическим исследованиям в CuKα-излуче- нии, составы системы La1-xBixMnO3+δ в интервале концентраций 0 ≤ x ≤ 0,6 обладают орторомбической элементарной кристалличе- ской ячейкой пространственной группы Pnma (62), что согласуется с результатами нейтронодифракционных исследований [9] На ри- сунке 1, а, б приведены рентгенограммы для составов с x = 0 и 0,4. ТАБЛИЦА 1. Кристаллографические параметры образцов La1−xBixMnO3+δ, полученные в результате обработки данных рентгеновской дифракции в NiKα-излучении. Состав Вид структуры a, нм α, град. V, нм3 LaMnO3+δ ромбоэдрическая 0,5447 60, 54 0,2313 La0,8Bi0,2MnO3+δ ромбоэдрическая 0,5480 60, 37 0,2346 La0,6Bi0,4MnO3+δ псевдокубическая 0,3908 90 0,2387 La0,4Bi0,6MnO3+δ псевдокубическая 0,3926 90 0,2421 СМЕШАНН Смещени меньших что разм ственной меры эл La0,4Bi0,6 Из дан Bi в кол ячейке и граням a Рис. 1. Ре (а), 0,4 (б ТАБЛИЦ полученн CuKα-изл Сос LaMn La0,6Bi0, La0,4Bi0, НЫЕ МАГНИ ие угловых х углов при меры элем й группы P лементарн 6MnO3+δ пре нных табл личестве д исследуемы a и b. В цел а ентгеновски б), 0,6 (в) в C ЦА 2. Крист ные в резул лучении. став nO3+δ ,4MnO3+δ ,6MnO3+δ ИТНЫЕ СОСТО х положен и замещен ментарной Pnma (62) п ых ячеек едставлены . 2 следует до 40% на ых составо лом, увели ие дифракто CuKα-излуче таллографич льтате обраб a, нм 0,5468 0,5499 0,5509 ОЯНИЯ В ОБР ний опреде нии ионов L й орторомб по граням составов ы в табл. 2. т, что при аибольшие ов в сторон ичение соде в ограммы дл ении. ческие пара ботки данны b, нм 0,7784 0,7796 0,7804 РАЗЦАХ СИС елённых ре La ионами бической a, b, и c ув LaMnO3, замещени е изменени ну увеличе ержания B ля составов аметры обра ых рентген c, нм 0,5539 0,5495 0,5511 СТЕМЫ (La,Bi ефлексов в Bi указыва ячейки п величиваю La0,6Bi0,4M и ионов La ия в элеме ния проис Bi до 60% п б La1−xBixMnO азцов La1−xB овской диф α = β = γ 90° 90° 90° i)MnO3+δ 119 в сторону ает на то, простран- ются. Раз- MnO3+δ и a ионами ентарной сходят по при заме- O3+δ с x = 0 BixMnO3+δ, фракции в V, нм3 0,2357 0,2356 0,2369 120 А. И. ТОВСТОЛЫТКИН, А. Н. ПОГОРЕЛЫЙ, Д. И. ПОДЪЯЛОВСКИЙ и др. щении лантана приводит к увеличению объёма элементарной ячей- ки. Полнопрофильный анализ рентгенограмм показал, что увели- чение содержания висмута в составах системы La1−xBixMnO3+δ при- водит к снятию кристаллических искажений орторомбической структуры. Согласно результатам полнопрофильного анализа, наилучшее совпадение экспериментальных и расчётных данных получено для состава La0,4Bi0,6MnO3+δ (рис. 1, в). 3.2. Электрическое сопротивление и магнетосопротивление На рисунке 2, a показана зависимость удельного сопротивления ρ от температуры T для исходного образца, не содержащего висмута (x = 0). С понижением температуры сопротивление увеличивается, достигает максимума при Tm ≈ 105 К, после чего характер зависи- мости изменяется на противоположный. Наличие пика на зависимости ρ(T) для незамещённого манганита лантана свидетельствует о том, что образцы нестехиометричны по кислороду [4, 10]. Как известно, стехиометрическое соединение LaMnO3 является антиферромагнитным диэлектриком [4]. Орби- тальное упорядочение ионов марганца, находящихся в ионизаци- онном состоянии 3+, затрудняет перенос заряда между соседними узлами кристаллической решётки, поэтому заметная проводимость активационного типа (dρ/dT < 0) появляется только в области вы- соких температур [4, 10]. При отклонении содержания кислорода от стехиометрического значения часть ионов Mn3+ конвертируется в Mn4+. Так называемый двойной обмен [11] между трёхкратно и че- тырёхкратно ионизированными ионами марганца делает энергети- Рис. 2. Зависимость удельного сопротивления для образцов системы La1−xBixMnO3+δ с x = 0 (а) и 0,6 (б). На вставке изображена концентрацион- ная зависимость удельного сопротивления, измеренная приT = 130 К. СМЕШАННЫЕ МАГНИТНЫЕ СОСТОЯНИЯ В ОБРАЗЦАХ СИСТЕМЫ (La,Bi)MnO3+δ 121 чески выгодным формирование ферромагнитной фазы, характери- зующейся металлической проводимостью (dρ/dT > 0). Следует от- метить, что в замещённых манганитах металлический характер проводимости имеет только ферромагнитная фаза, которая форми- руется в результате обменных взаимодействий между разновалент- ными ионами марганца [4, 10]. Таким образом, появление металли- ческого характера проводимости в LaMnO3+δ (см. рис. 2, а) косвенно свидетельствует о формировании ферромагнитной фазы. Увеличение содержания висмута приводит к росту абсолютного значения сопротивления и уменьшению Tm. В образце с x = 0,6 со- противление в области низких температур становится настолько большим, что выходит за пределы измерения имеющейся установ- ки (рис. 2, б). Представление о характере изменения удельного со- противления с увеличением концентрации висмута даёт вставка к рис. 2, на которой показана зависимость ρ(x) при фиксированной температуре (T = 130 К). При анализе температурной зависимости электрического сопро- тивления манганитов выше температуры максимума Tm рассматри- вают несколько возможных механизмов проводимости (см., напри- мер, обзорную работу [12]). Первый механизм предполагает нали- чие псевдощели на уровне Ферми, в результате чего удельное сопро- тивление описывается простым активационным законом: ρa = const·exp(ε0/kBT), (1) где ε0 – ширина щели, kB – постоянная Больцмана [13]. Второй ме- ханизм базируется на предположении, что перенос заряда осуществ- ляется поляронами малого радиуса, существенную роль в образова- нии которых играют локальные искажения кристаллической ре- шётки, вызванные, в частности, эффектом Яна—Теллера [12, 14]. В этом случае в адиабатическом приближении температурная зависи- мость электрического сопротивления описывается формулой: ρpol = const·Texp(ε0/kBT), (2) где ε0 – энергия активации полярона [14]. Третий механизм пред- полагает существенное влияние магнитного беспорядка на локали- зацию носителей заряда, что приводит к прыжковой проводимости с переменной длиной прыжка [12, 15]. В последнем случае поведе- ние электрического сопротивления описывается законом Мотта: ρMott = const⋅exp(TM/T)1/4, (3) где TM зависит от радиуса локализованного состояния и плотности состояний на уровне Ферми [15]. 122 А. И. ТОВСТОЛЫТКИН, А. Н. ПОГОРЕЛЫЙ, Д. И. ПОДЪЯЛОВСКИЙ и др. Нами был сделан анализ поведения электрического сопротивле- ния в области высоких температур (T >> Tm). Как следует из резуль- татов анализа, зависимость ρ(T) наилучшим образом описывается законом проводимости, вызванной прыжками малых поляронов (формула (2)). С ростом x энергия активации возрастает с 0,09 эВ (x = 0) до 0,12 эВ (x = 0,6). Во всех образцах, исследованных в данной работе, магнитное по- ле сильно изменяет электрическое сопротивление как ниже, так и выше Tm. На рисунке 2 показаны температурные зависимости удельного сопротивления, измеренные в нулевом магнитном поле и в поле с индукцией 1,5 Т. Температура, ниже которой абсолютное значение MR становится заведомо выше точности измерения маг- нитосопротивления (3%), была обозначена T MR. С увеличением x от нуля до 0,6 значение T MR уменьшается от 200 К до 130 К. Обращает на себя внимание то, что заметное влияние магнитного поля на электрическое сопротивление появляется при температурах, суще- ственно превышающих Tm. Для образца с x = 0 магнитосопротивление достигает максималь- ного значения вблизи Tm (MR(Tm) ≈ 25%). С ростом содержания висмута MR(Tm) возрастает до ≈ 40% (в образце с x = 0,2), а затем уменьшается до ≈ 15% (для состава с x = 0,4). 3.3. Электронный спиновый резонанс Электронный спиновый резонанс является информативным мето- дом исследования магнитного фазового состава материалов со сложными видами магнитного упорядочения, особенно в областях, характеризующихся сосуществованием двух или нескольких раз- личных магнитных фаз [3, 4, 16]. Для парамагнитной фазы замещённых манганитов интенсив- ность поглощения I как функция внешнего магнитного поля H представляет собой одиночную симметричную линию [4, 16]. Резо- нансное поле Н0 является функцией частоты электромагнитной волны ν и эффективного g-фактора geff: Н0 = hν/(geffμB), (4) где h – постоянная Планка, а μB – магнетон Бора [17]. В замещён- ных манганитах geff обычно принимает значения, близкие к двойке, т.е. к g-фактору свободного электрона [3, 16, 18, 19]. Резонансное поле практически не зависит от температуры и направления внеш- него магнитного поля [18, 19]. С понижением температуры интен- сивность резонансного поглощения возрастает. Ширина линии из- меняется немонотонно, обнаруживая минимум при температуре, несколько превышающей температуру перехода из парамагнитного СМЕШАННЫЕ МАГНИТНЫЕ СОСТОЯНИЯ В ОБРАЗЦАХ СИСТЕМЫ (La,Bi)MnO3+δ 123 в ферромагнитное состояние TC [3, 16, 18]. В ферромагнитном состоянии резонансное поле определяется эф- фективной намагниченностью, которая зависит от спонтанной намагниченности и анизотропии. Последняя включает в себя маг- нитокристаллическую и магнитострикционную анизотропии, а также анизотропию формы [16—19]. Как результат, резонансное поле ферромагнитной фазы зависит от формы образца и от его ори- ентации по отношению к внешнему магнитному полю. Спектры ЭСР были исследованы для всех образцов системы La1−xBixMnO3+δ, синтезированных в данной работе. Характер темпе- ратурной эволюции спектров достаточно близок во всех исследован- ных образцах, основное отличие состоит лишь в значениях харак- терных температур и параметров линий резонансного поглощения. Представление об основных чертах температурного изменения спек- тров может быть получено из рисунков 3 и 4, на которых показаны резонансные спектры для образцов с x = 0,2 и 0,6, соответственно. Как видно из рис. 3, в области высоких температур (T > 160 К) дифференциальные спектры dI/dB = f(B) (здесь B – индукция внешнего магнитного поля) для образца с x = 0,2 представляют собой одиночную линию резонансного поглощения. Положение линии практически не зависит от направления внешнего магнитного поля. Значение резонансного поля соответствует geff ≈ 2, что характерно Рис. 3. Спектры ЭСР для образца La1−xBixMnO3+δ с x = 0,2 при параллельной () и перпендикулярной (⊥) ориентациях магнитного поля. 124 А. И. ТОВСТОЛЫТКИН, А. Н. ПОГОРЕЛЫЙ, Д. И. ПОДЪЯЛОВСКИЙ и др. для парамагнитной фазы замещённых манганитов [3, 16, 18, 19]. С понижением температуры интенсивность поглощения увеличивает- ся. Ширина линии при этом сначала уменьшается (ΔB ≈ 62 мТ при 300 К и ≈ 400 мТ при 180 К), достигает минимума при T ≈ 180 К, по- сле чего начинает возрастать. При TC ≈ 165 К линия расщепляется, что свидетельствует о появлении второй магнитной фазы. Резонанс- ное поле второй фазы зависит от направления внешнего магнитного поля, что характерно для ферромагнитного состояния [17, 18]. С по- нижением температуры линия ферромагнитного резонанса отдаля- ется от линии парамагнитного резонанса, что является результатом возрастания намагниченности ферромагнитной фазы [17]. Следует отметить, что вплоть до самых низких температур, исследованных в данной работе (90 К), резонансный сигнал от парамагнитной фазы не исчезает. Это свидетельствует о том, что в определённой области тем- ператур (в данном случае ниже TC ≈ 165 К) парамагнитная и ферро- магнитная фазы сосуществуют, причём, температурный интервал существования такого смешанного состояния достаточно широк. Для более детального анализа спектров нами были построены ин- тегрированные кривые I(B) и сделана попытка разложения их на несколько линий поглощения. В качестве примера на рис. 5 приве- дено несколько кривых I(B) для образца с x = 0,2 (параллельный случай). При T > 165 К интегрированная кривая хорошо описыва- Рис. 4. Спектры ЭСР для образца La1−xBixMnO3+δ с x = 0,6 при параллельной () и перпендикулярной (⊥) ориентациях магнитного поля. СМЕШАННЫЕ МАГНИТНЫЕ СОСТОЯНИЯ В ОБРАЗЦАХ СИСТЕМЫ (La,Bi)MnO3+δ 125 ется лоренцианом, как это наблюдается и в других случаях при описании линий парамагнитного резонанса [16, 19]. В области сме- шанного магнитного состояния интегральная кривая лучше всего описывается суперпозицией лоренциана (парамагнитная фаза) и гауссиана (ферромагнитная фаза). Рисунок 5 даёт представление об основных чертах эволюции магнитного фазового состава образца: с понижением температуры относительная интенсивность сигнала ферромагнитного резонанса увеличивается, а парамагнитного – уменьшается. Таким образом, фазовый переход между парамаг- нитной и ферромагнитной фазами осуществляется путём плавного перераспределения объёмов пара- и ферромагнитных областей в широком интервале температур. На рисунке 6 показана зависимость резонансных полей парамаг- нитной и ферромагнитной фаз для образца с x = 0,2. Подобный ха- рактер имеют зависимости резонансных полей и для других соста- Рис. 5. Разложение кривых I(B), полученных при различных температурах, на составляющие (x = 0,2, параллельная ориентация магнитного поля). Рис. 6. Зависимость резонансных полей от температуры для образца с x = 0,2. 126 А. И. ТОВСТОЛЫТКИН, А. Н. ПОГОРЕЛЫЙ, Д. И. ПОДЪЯЛОВСКИЙ и др. вов. Поведение резонансных полей ферромагнитной фазы характер- но для ферромагнитных тонких плёнок и пластин: с понижением температуры резонансное поле увеличивается в перпендикулярном случае и уменьшается в параллельном [17]. Несколько необычным есть то, что в смешанном состоянии резонансное поле парамагнитной фазы также оказывается зависимым от ориентации внешнего поля. Это явление детально анализировалось в работах [3, 19]. Как следует из результатов этих работ, поля рассеяния, индуцируемые ферро- магнитной фазой, накладываются на внешнее магнитное поле, изме- няя тем самым резонансные условия для парамагнитной фазы. На рисунке 7 изображена концентрационная зависимость темпе- ратуры Кюри TC, которую определяли как температуру, при которой зарождается новая фаза. Из рисунка видно, что с повышением кон- центрации висмута температура фазового перехода понижается. Сравнение данных результатов с результатами работы [5] позволяет заключить, что в образцах La1−xBixMnO3+δ, исследованных в данной работе, степень кислородной нестехиометрии δ приблизительно оди- накова и близка к 0,07. Результаты нашей работы не только однозначно свидетельствуют о двухфазном состоянии системы ниже TC, но и позволяют сделать количественные оценки, характеризующие температурную эволю- цию магнитного фазового состава системы. На вставке рис. 7 показана концентрационная зависимость отно- сительной интенсивности резонансного сигнала от ферромагнитной фазы, рассчитанная для каждого состава при T = 0,75TC. Как видно из рисунка, увеличение концентрации висмута приводит к умень- шению доли ферромагнитной фазы, что свидетельствует о том, что Рис. 7. Концентрационная зависимость температуры зарождения ферро- магнитной фазы TC. На вставке показана концентрационная зависимость относительной интенсивности резонансного сигнала AФМ от ферромагнит- ной фазы, рассчитанная для каждого состава приT = 0,75TC. СМЕШАННЫЕ МАГНИТНЫЕ СОСТОЯНИЯ В ОБРАЗЦАХ СИСТЕМЫ (La,Bi)MnO3+δ 127 область сосуществования двух фаз, рассчитанная в единицах TC, расширяется с ростом x. Возможной причиной этого является уве- личение локальных искажений кристаллической решётки, связан- ное с тенденцией изолированной пары 6s2-электронов Bi3+ к гибри- дизации с 2p-орбиталями кислорода [5—9]. Сравнивая данные рис. 7 с результатами исследования магнито- резистивных свойств, легко увидеть, что заметное магнитосопро- тивление появляется только после перехода образцов из парамаг- нитного в смешанное состояние. Также следует отметить, что пик на зависимости ρ(T) наблюдается при температурах, которые зна- чительно ниже TC, что является характерным для магнитнонеодно- родных систем [10]. В таких системах интегральная проводимость имеет металлический характер только тогда, когда объёмная доля ферромагнитной фазы достигает величины, достаточной для обра- зования бесконечного проводящего кластера [10]. В заключение отметим, что факт увеличения объёма элементар- ной ячейки с увеличением содержания висмута логически объясня- ет как уменьшение температуры Кюри (из-за ослабления обменных взаимодействий), так и увеличение удельного электросопротивле- ния (из-за уменьшения перекрытия электронных оболочек). 4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Определена кристаллическая структура, изучены электрические, магниторезистивные и резонансные свойства манганитов лантана, замещённых висмутом. Установлено, что замещение лантана на висмут в системе La1−xBixMnO3+δ приводит к увеличению размеров элементарной кри- сталлической ячейки, повышению удельного электрического со- противления и снижению температуры Кюри. Основываясь на результатах исследования электронного спино- вого резонанса, показано, что фазовый переход между парамагнит- ной и ферромагнитной фазами осуществляется путём плавного пе- рераспределения объёмов пара- и ферромагнитных областей в ши- роком интервале температур. Определена область существования смешанных состояний в за- висимости от концентрации висмута. Показано, что температурный диапазон сосуществования двух фаз, рассчитанный в единицах TC, расширяется с ростом x. Сделан вывод, что причиной указанных выше эффектов является увеличение объёма элементарной ячейки и усиление локальных ис- кажений кристаллической решётки с ростом содержания висмута. Работа поддержана Государственным фондом фундаментальных исследований Украины (проект № Ф41.1/020) и ФФИ Республики Беларусь (проект № Ф11К-054). 128 А. И. ТОВСТОЛЫТКИН, А. Н. ПОГОРЕЛЫЙ, Д. И. ПОДЪЯЛОВСКИЙ и др. ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Y. Murakami, H. Kasai, J. J. Kim et al., Nat. Nanotechnol., 5, No. 1: 37 (2009). 2. J. Leib, J. E. Snyder, C. C. H. Lo, J. A. Paulsen, P. Xi, and D. C. Jiles, J. Appl. Phys., 91, No. 10: 8852 (2002). 3. A. I. Tovstolytkin, A. M. Pogorily, Yu. I. Dzhezherya et al., J. Phys.: Cond. Matter, 19, No. 24: 386003 (2009). 4. E. Dagotto, T. Hotta, and A. Moreo, Phys. Rep., 344, No. 1: 1 (2001). 5. I. O. Troyanchuk, O. S. Mantytskaya, H. Szymczak et al., ФНТ, 28, No. 7: 790 (2002). 6. T. Kimura, S. Kawamoto, I. Yamada et al., Phys. Rev B, 67, No. 18: 180401 (2003). 7. Z. H. Chi, C. J. Xiao, S. M. Feng et al., J. Appl. Phys., 98, No. 10: 103519 (2005). 8. J. A. M. van Roosmalen, P. van Vlaanderen, E. H. P. Cordfunke, W. L. Ijdo, D. J. W. Ijdo, J. Sol. Stat. Chem., 114, No. 2: 516 (1995). 9. В. А. Хомченко, И. О. Троянчук, О. С. Мантыцкая, М. Товар, Г. Шимчак, ЖЭТФ, 130, вып. 1: 64 (2006). 10. V. D. Doroshev, V. A. Borodin, V. I. Kamenev et al., J. Appl. Phys., 104, No. 9: 093909 (2008). 11. C. Zener, Phys. Rev., 82, No. 3: 403 (1951). 12. A.-M. Haghiri-Gosnet and J.-P. Renard, J. Phys. D: Appl. Phys., 36, No. 8: R127 (2003). 13. M. Zhuang, W. Zhang, and N. Ming, Phys. Rev. B, 56, No. 22: 14547 (1997). 14. D. Emin and T. Holstein, Ann. Phys., 53, No. 3: 439 (1969). 15. M. Viret, L. Ranno, and J. M. D. Coey, Phys. Rev. B, 55, No. 13: 8067 (1997). 16. A.Tovstolytkin, A. Pogorily, I. Lezhnenko, A. Matviyenko, D. Podyalovskii, and V. Kravchik, Phys. Solid State, 45, No. 10: 1952 (2003). 17. Г. Гуревич, Г. А. Мелков, Магнитные колебания и волны (Москва: Наука: 1994). 18. T. L. Phan, N. D. Tho, M. H. Phand, N. D. Ha, N. Chau, and S. C. Yu, Physica B, 371, No. 2: 317 (2006). 19. Yu. I. Dzhezherya and A. I. Tovstolytkin, J. Phys.: Cond. Matter, 21, No. 38: 246212 (2007).

Особенности смешанных магнитных состояний в образцах системы (La,Bi)MnO3+δ

Institution

Ähnliche Einträge