Статья опубликована в рамках: Научного журнала «Студенческий» № 4(4)

Рубрика журнала: Физика

Скачать книгу(-и): скачать журнал часть 1, скачать журнал часть 2

Библиографическое описание:
Ерматов Ш.Ю. ДОМЕННАЯ СТРУКТУРА ТЕРБИЕВОГО ФЕРРИТА-ГРАНАТА TB3FE5O12 ВБЛИЗИ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ТОЧКИ МАГНИТНОЙ КОМПЕНСАЦИИ // Студенческий: электрон. научн. журн. 2017. № 4(4). URL: https://sibac.info/journal/student/4/74211 (дата обращения: 17.10.2019).

ДОМЕННАЯ СТРУКТУРА ТЕРБИЕВОГО ФЕРРИТА-ГРАНАТА TB3FE5O12 ВБЛИЗИ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ТОЧКИ МАГНИТНОЙ КОМПЕНСАЦИИ

Ерматов Шухрат Юлдашевич

магистрант, кафедра фотоники НУУз,

Узбекистан, г. Ташкент

Аннотация: Выполнены экспериментальные исследования редкоземельного феррита-граната (Tb3Fe5O12) в окрестности температурной точки магнитной компенсации Tc = 248.6 К. Показано, что при приближении температуры к точке компенсации ширина доменов растёт, однако образец не переходит в однодоменное состояние. Объяснение наблюдаемых результатов проделано путем анализа HT диаграммы данного ферримагнетика.

Ключевые слова: тербиевый феррит-гранат, точка магнитной компенсации.

 

1. Введение

На сегодняшний день известно, что в слабых магнитных полях в кристалле редкоземельного феррита-граната (РЗФГ) образуется доменная структура (ДС) и характер изменения многих физических свойств данного кристалла в этом случае в окрестностях фазовых переходов значительно усложняется. При температурах РЗФГ, близких к точке магнитной компенсации, внешние воздействия могут значительно повлиять на вид доменной структуры, что, в свою очередь, способствует управлению доменной конфигурацией кристалла относительно небольшими полями, создание которых не составляет особых трудностей. Более того, если учесть известный на сегодняшний день термомагнитный способ записи информации в условиях температур, близких к точке компенсации [8], то очевидно, что изучение особенностей ДС кристаллов РЗФГ в области магнитных фазовых переходов является достаточно приоритетным в области материаловедения, осуществляющей поиск и создание новейших материалов для элементной базы приборов в современной магнитной микроэлектроники, принцип работы которой заключается в контроле над ДС с помощью электрического и магнитного полей.

В связи с этим был поставлен эксперимент с визуальным наблюдением ДС кристалла тербиевого феррита-граната (Tb3Fe5O12) в диапазоне температур, близком и включающем точку магнитной компенсации данного РЗФГ (Tc = 248.6 К [6]), результаты которого представлены далее.

 

2. Методика эксперимента и образцы

Для исследований использовался монокристалл Tb3Fe5O12, полученный методом спонтанной кристаллизации из раствора в расплаве [7]. Синтезированный кристалл имел форму объемного многогранника с размерами ~ 6 × 6 × 6 мм3, из которого вырезались плоскопараллельные пластинки толщиной ~ 100 мкм так, чтобы их развитые поверхности были параллельны кристаллографической плоскости (110). Синтез кристалла Tb3Fe5O12, а также кристаллографическая ориентация (рентгеновским методом) образцов были выполнены в Проблемной лаборатории магнетизма МГУ им. М.В. Ломоносова (г. Москва).

Из результатов многочисленных исследований тербиевого феррита-граната известно, что устойчивыми направлениями спонтанного магнитного момента Мs в нем являются ‹111›. Таким образом, при указанной выше ориентации образцов имеются четыре направления, ориентированные в плоскости образца, и четыре направления, составляющие с плоскостью образца углы ± 55о, по направлению которых может ориентироваться Мs. С другой стороны, по общим физическим представлениям, благодаря существенно меньшему влиянию размагничивающего фактора в плоскости пластины по сравнению с таковым в нормальном направлении, с энергетической точки зрения наиболее выгодной является доменная структура (ДС), области которой намагничены в плоскости пластины. Исходя из этого следует ожидать, что в отсутствии напряжений ДС в используемых образцах должна состоять из доменов, в которых вектор Мs ориентирован в их плоскости, с 180 –, 110 – и 70о – ми доменными границами. Однако, как показали эксперименты, такая ДС наблюдалась не всегда: у части образцов реализовалась нерегулярная ДС, содержащая как области, в которых вектор Мs лежал в плоскости образца, так и области, в которых вектор Мs был перпендикулярен его плоскости. Известно, что нерегулярная доменная структура указывает на наличие в кристалле неоднородных механических напряжений (ростовых и/или наведенных механической обработкой) [5]. Поэтому, для экспериментов был выбран образец, имеющий наиболее «правильную» с точки зрения теории 180о – ную доменную конфигурацию.

Тербиевый феррит-гранат Tb3Fe5O12 – ферримагнетик, магнитная структура которого создается локальными магнитными моментами ионов железа и ионов тербия. Обменные взаимодействия между данными ионами в РЗФГ осуществляются с помощью ионов кислорода (сверхобмен) [3]. Наиболее значительным таким взаимодействием является взаимодействие между ионами Fe3+, расположенными в а и d – кристаллографических местах, образующее антипараллельную ориентацию магнитных моментов их подрешеток. Величина эффективного магнитного поля этого взаимодействия Нa-d ≈ 2×106 Э соответствует температуре Кюри ТК ≈ 550 К РЗФГ.

Такая величина поля Нa-d позволяет рассматривать а – и d – подрешетки ионов Fe3+ как одну подрешетку во внешних магнитных полях вплоть до величины Н ~ 106 Э, намагниченность которой MFe выражается разностью намагниченностей а – и d – подрешеток. При этом величина намагниченности MFe малозначительно зависит от состояния тербиевой подсистемы и от внешнего магнитного поля (H).

Исходя из этого, при перпендикулярном падении света на поверхность образца в общем случае спонтанный эффект Фарадея РЗФГ можно выразить в виде:

θF = (а MFe cos θ1 + b MR cos θ2) l,                      (1)

где a и b – магнитооптические коэффициенты; θ1, θ2 – углы, образованные векторами намагниченности железной (MFe) и редкоземельной (MR) подрешеток с нормалью к плоскости образца; l – толщина образца.

В Tb3Fe5O12 при температурах меньших Тс величина намагниченности редкоземельной подрешетки больше величины намагниченности железной подрешетки. Отсюда следует, что по направлению H ориентируется вектор намагниченности редкоземельной подрешетки. При температурах больших Тс ситуация противоположная – в сторону Н направлен вектор MFe. Следовательно, в точке магнитной компенсации векторы намагниченностей MFe и MR разворачиваются на 180о, что в соответствии с выражением (1) приводит к смене знака угла фарадеевского вращения. При использовании системы поляризатор-образец-анализатор, данное изменение будет проявляться по резкой смене цвета наблюдаемых через анализатор доменов. Стоит отметить, что, как видно из (1), даже при (MFe + MR) = 0 (при Т = Тс) угол фарадеевского вращения не равен нулю, благодаря чему можно визуально наблюдать ДС образца при переходе через точку магнитной компенсации.

Для размагничивания образец был размещен между двумя парами скрещенных катушек Гельмгольца. В качестве источника света применялась галогеновая лампа накаливания. Особое внимание в экспериментах уделялось области температур 210 ÷ 290 К, включающей Тс кристалла.

 

3. Экспериментальные результаты и их обсуждение

Как показали наблюдения, в рассмотренном интервале температур 180−300 К в отсутствии внешнего поля ДС состояла из доменов в виде чередующихся светлых и темных полос с отчетливо выраженными границами.

На рис. 1 приведен ряд изображений ДС, полученных при заданной Т с помощью размагничивающего магнитного поля (изменяющегося с частотой 50 Гц), амплитуда которого убывала от максимального значения Н = 60 Э до нуля. Предполагалось, что данная процедура позволяет получить доменную конфигурацию, достаточно схожую с «равновесной» при данной температуре. В основном после этой процедуры при каждом значении Т наблюдались 2 – 3 различные конфигурации ДС, несколько различающиеся расположением доменных границ, однако средняя ширина доменов оставалась практически постоянной.

Зависимость средней ширины доменов «равновесной» ДС образца от температуры представлена на рис. 2.

 

 а

 б

 в

 г

 д

 е

 

Рисунок 1. Изображения «равновесной» доменной структуры образца, полученные при разной температуре в процессе его отогрева: 228 (а), 238 (б), 248 (в), 250 (г), 260 (д) и 270 К (е).

 

Рисунок 2. Температурная зависимость средней ширины доменов «равновесной» доменной структуры образца.

 

Из рис. 1 – 2 следует, что хотя ширина доменов при Т Tc существенно растет, тем не менее, в отличие от результатов теоретического рассмотрения ДС плоскопараллельной пластинки ферримагнетика, полученных в [1, 2], во всем исследованном интервале температур домены в образце не исчезают, т.е. образец не переходит в однодоменное состояние. Помимо этого, согласно теории, развитой в [1, 2], следует, что при Т Tc максимальная ширина доменов достигает величины порядка толщины пластинки, тогда как из рис. 2 видно, что максимальная ширина доменов более чем в 10 раз превосходит толщину образца.

В модели, используемой в [1, 2], предполагалось, что поскольку в точке магнитной компенсации векторы намагниченностей железной MFe и редкоземельной MTb подрешеток остаются строго антипараллельными, то суммарная намагниченность кристалла тождественно обращается в нуль и, следовательно, существование ДС становится энергетически не выгодным.

Однако, согласно НТ диаграмме РЗФГ, рассчитанной в [4], в слабом магнитном поле при Т Tc энергетически выгодно образование так называемой скошенной магнитной структуры, в которой угол между векторами намагниченностей железной (MFe) и редкоземельной (MR) подрешеток отличен от 180о. В результате, в точке магнитной компенсации при MFe = MR суммарная намагниченность РЗФГ в нуль не обращается и поэтому по-прежнему должна существовать ДС. Этой причиной объясняются результаты наблюдений ДС феррита-граната Tb3Fe5O12.

Очевидно, что существование ДС в РЗФГ при температуре в окрестностях точки магнитной компенсации значительно будет влиять на процесс его технического намагничивания и связанные с ним физические свойства кристалла.

 

Список литературы:

  1. Барьяхтар В.Г., Богданов А.Н., Яблонский Д.А. Доменная структура ферритов в окрестности температуры компенсации. // ФТТ. – 1986. – Т.28. – №1. – С.87 – 94.
  2. Богданов А.Н., Яблонский Д.А. К теории доменной структуры ферримагнетиков. // ФТТ. – 1980. – Т.22. – №3. – С. 680 – 687.
  3. Звездин А.К., Матвеев В.М., Мухин А.А., Попов А.И. Редкоземельные ионы в магнитоупорядоченных кристаллах. – М: Наука, – 1985. – 295 с.
  4. Звездин А.К., Матвеев В.М. Особенности физических свойств редкоземельных ферритов-гранатов вблизи температуры компенсации. // ЖЭТФ. – 1972. – Т.62. – В.1. – С.260 – 271.
  5. Тикадзуми С. Физика ферромагнетизма. – М: Мир, – 1997. – 420 с.
  6. Физические величины. Справочник / Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. Энергоатомиздат, М. (1991). 1231 с.
  7. Чернов А.А., Гиваргизов Е.И., Багдасаров Х.С., Кузнецов В.А., Демьянец Л.Н., Лобачев А.Н. Современная кристаллография. Т.3. Образование кристаллов. – М: Наука, – 1998. – 470 с.
  8. Kryder M.H. Magneto – optic recording technology. // J. Appl. Phys. – 1985. – V.57. – #.1. – С. 3913 – 3918.

Оставить комментарий