книги из ГПНТБ / Физика магнитных диэлектриков

Исследования ЭФ в ферритах со структурой граната

Исторически исследования магнитооптических явлений в ферритах были начаты в кристаллах со струк­ турой граната. Это большой класс ферритов, изоморфных минералу гранату {Са3} [А13 ](Si3) 0 12, структура кото­ рого описывается кубической пространствеиной группой О],0 — ІаЗ<2. Кубическая элементарная ячейка граната содержит восемь формульных единиц. В ячейке имеется шестнадцать октаэдрических позиций (16а), двадцать четыре тетраэдрические позиции (2Ы) и двадцать четыре додекаэдрические позиции (24с).

Интерес к структуре граната значительно возрос после синтеза ферримагиитных гранатов типа Y3Fe60 12. Струк­ тура граната допускает синтез кристаллов с большими вариациями но составу замещающих ионов. Так, доде­ каэдрические позиции могут быть замещены магнитными редкоземельными ионами, а также ионами Са2+, Ві3 + и т. д. Ионы железа в октаэдрических и тетраэдрических положениях могут быть частичпо или полностью заме­ щены на другие магнитные или немагнитные ионы, на­ пример Сг3+, Al3+, Ga3+ и др.

Магнитные свойства редкоземельных ферритов-гра­ натов достаточно хорошо объясняются трехподрешеточной моделью. Наиболее сильное антиферромагнитное взаимодействие, определяющее температуру Кюри Тс гранатов, осуществляется между ионами трехвалентного железа в октаэдрической и тетраэдрической подрешетках. Редкоземельная подрешетка связана более слабым антиферромагнитным взаимодействием в основном с тетраэд­ рической подрешеткой.

Оптическое поглощение удобнее рассматривать на при­ мере иттриевого феррита-граната Y3Fe50 12,oHo показано на рис. 5. 7 для ближней инфракрасной и в небольшом участке видимой области спектра [27]. Наибольшая про­ зрачность наблюдалась для длин воли 1.5—5 мкм, где поглощение было даже трудно измерить (коэффициент по­ глощения а=0.07 см-1 при комнатной температуре). Длин­ новолновый край поглощения связан с колебаниями ре­ шетки, коротковолновое поглощение — с электронными переходами в октаэдрических и тетраэдрических ионах железа Fe3+, сильное поглощение в области 24.000 см-1

400

вызвано, по-видимому, перебросом электрона от' иона О2“ к Fe3+.

Спектры поглощения редкоземельных ферритов-гра­ натов отличаются от иттриевого феррита-граната наличием дополнительных сравнительно узких полос поглощения за счет переходов в 4/-оболочке редкоземельных трехвалеитных ионов [27].

Эксперимента льиые и теоретические иссле­ дования ЭФ иМКД фер-

•ритов-гранатов показа­ ли, что можно выделить области в спектре, где проявляются различные микроскопические меха­

н и з м , с в я з а н н ы й

Рис. 5.7. Коэффициент по­ глощения а чистого моно­ кристалла иттриевого фер­ рита-граната.

Приведен коэффициент погло­ щения при основании 10. Циф­ ры слева — толщина кристалла, пропускающего 10% падающего света.

с и н т е н с и в н ы м и д и п о л ь н ы м и п е р е х о ­ д а м и с п е р е н о с о м з а р я д а и с р а з ­ р е ш е н н ы м и д и п о л ь н ы м и п е р е х о д а м и в и о н а х ж е л е з а и р е д к о з е м е л ь н ы х и о н а х . В области самих переходов наблюдается МКД, а ЭФ пропорционален интенсивности МКД и тому, как близко частота наблюдения лежит к частоте перехода. Эти переходы дают спадающий по мере увеличения длины волны (—1/А2) ЭФ, в ряде гранатов вклад гироэлектрического механизма еще заметен в области 5—6 мкм [28, 29].

Гироэлектрический механизм проявляется и для более слабых электронных переходов в Зй-оболочке ионов Fe3 + и в 4/-оболочке ионов редких земель. Однако интенсивность этих переходов значительно меньше, чем для разрешенных

дипольных переходов, и их влияние ощутимо лишь в об­

Рис. 5.8. Удельное фарадеевское вращение в иттриевом и гадолиниевом ферритах-гранатах [30]. ^

гранатах в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. Данные приведены для температуры 1.5° К. При низкой температуре удается лучше разрешить струк­ туру как в поглощении, так и в ЭФ. Для иттриевого фер­ рита-граната ЭФ имеет практически ту же величину, что и при комнатной температуре. В этом гранате наблюдается изменение знака ЭФ около 20.000 см-1, что позволяет сде­ лать заключение о наличии интенсивного максимума по­ глощения в этой области частот. Измерение ЭФ удалось

402

провести на очень тонком образце около 10 мкм. Для полу­ чения информации об ЭФ и поглощении в более высоко­ частотной области необходимы исследования либо на от­

ный в предыдущем разделе, представляет существование частотно-независимого ЭФ для магнитных кристал­ лов для частот выше соб­ ственных мод колебаний магнитной системы. Экспе­ риментально эта незави-

Рпс. 5.9. Температурная зави­ симость магнитного ЭФ в иттриѳвом (Л), гадолиниевом (В) и диспрозневом (С) ферритахгранатах.

симость ЭФ от частоты была обнаружена для многих ферритов-гранатов для длин волн 5—6 мкм, где влияние частотно-зависимого гироэлектрического ЭФ, как правило, очень незначительно 128, 29]. В табл. 5.5 приведены зна­ чения частотно-независимого эффекта для ряда редкозе­ мельных гранатов.

В формуле (5. 89) все величины, кроме Ti =gie/2mc и у2 =g'Sel2mc, возможно получить из независимых измере-

26* 403

ний, поэтому результаты по частотно-независимому ЭФ могут быть использованы для измерения g-факторов редко­ земельных ионов ферримагнетиков. Таким образом, были получены значения g-факторов в широком температурном

земельным ионом в ^-состоянии, как в случае Gd3Fe50 12, то частотно-независимое вращение меняется с температу­ рой пропорционально намагниченности. В других случаях температурная зависимость вращения определяется как -изменениями намагниченности, так и изменениями g-фак­ тора (рис. 5.9).

Вклад подрешеток в ЭФ

G учетом гиромагнитного и пироэлектрических вкладов общую формулу (5. 89) для ЭФ в редкоземельных гранатах можно представить в следующем виде:

При записи этой формулы мы приняли, что гиромагнит­ ные отношения для трехвалентных ионов железа в тетра­ эдрической и октаэдрической подрешетках одинаковы и знак вращения выбран по ориентации моментов подреше­ ток выше температуры компенсации. (Ниже температуры компенсации все подрешетки и, следовательно, наблю­ даемое вращение, меняют знак).

Формула (5. 91) показывает, что наблюдаемое вращение зависит от намагниченностей подреше^ок, причем каждая из них дает свой вклад. В случае пироэлектрического эф­ фекта этот вклад также зависит от частоты. Определение вклада каждой подрешетки во вращение представляет важную задачу магнитооптики ферримагнитных матери­ алов. Эта задача может быть решена либо путем согласо­ вания наблюдаемой температурной зависимости ЭФ с рас­ четной кривой по формуле (5. 91) с использованием зна­ чений намагниченности, полученных другими методами (ЯМР, эффект Мессбауэра), либо путем замещения маг-

404

решетках. Это было наглядно продемонстрировано при изу­ чении эффекта Керра [35].

Недавние точные измерения ЭФ в иттриевом ферритегранате показали, что в формуле (5. 91) от температуры зависят не только намагниченности подрешеток, но и ко­ эффициенты перед намагниченностями [36]. Зависимость удельных вкладов от температуры невелика и может быть связана с изменением параметров кристаллического поля, интенсивностей переходов, сдвига полос с температурой.

Т а б л и ц а 5.7

Удельное вращение плоскости поляризации света (оСф, град./см) при комнатной температуре в кристаллах ферритов-гранатов типа Y3_xBixFe50 12 [33]

Магнитооптика ферритов со структурой шпинели и гексаферрнта

Оптические исследования показали, что фер­ риты со структурой шпинели обладают значительно мень­ шей прозрачностью в инфракрасной и видимой областях спектра, чем ферримагнитиые гранаты или ортоферриты. Было найдено, что ферриты-шпинели Li0 5Fe2 50 4, MgFe20 4 MgFe2_a.Ala;04 (л:.=0—КО.5), CdFe20 4 и ZnFe2Ö4 имеют до­ статочную прозрачность для контроля кристаллов на длине волны в ближней инфракрасной области. В то же

сильно связана с условиями синтеза и чистотой исходных материалов.

Измерения оптического поглощения и ЭФ в видимой области спектра удалось выполнить на топких пленках

NiFe20 4 и CoFe20 4 [38].

406

Недавние исследования поглощения в литиевом, иикелиевом и магниевом ферритах-шпинелях показали, что они обладают хорошей прозрачностью в диапазоне 1 — 8 мкм [391. Для MgFe20.i при 5 міш коэффициент погло­ щения составил а —-4 см-1. Дисперсия ЭФ для ближней инфракрасной области в литиевой и магниевой шпинелях показана на рис. 5.10, где для сравнения приведена также дисперсия ЭФ в иттриевом феррите-гранате. Рас­ четные кривые были получены из предположения, что наблю­ даемое вращение связано с час­ тотно-независимым вкладом (рн от магнитного резонанса.

а

и дисперсионным вкладом шэ от электронных переходов в окта­ эдрических и тетраэдрических

Рис. 5.10. Дисперсия ЭФ в ферритах со структурой шпинели.

Д ля сравнения приведена дисперсия в пттрневсш феррите-гранате.

ионах Fe3+, который вдали от резонанса можно предста­ вить, как

В этих формулах п — показатель преломления, ga — фактор ионов подрешеток, Ма — намагниченности подрешеток (в гауссах), X— длина волны. В свою очередь К можно представить в виде

что позволяет выделить вклад во вращение от двух подрешеток.

Большой интерес могут представить исследования фер­ ромагнитных шпинелей, синтезированных на основе серы и селена. Хотя замещение кислорода на серу или селен приводит к смещению коротковолнового края поглощения за счет электронных переходов в сторону длинных волн, в ту же сторону смещается и длинноволновый край погло-

27* 407

щения, связанный с колебаниями решетки. В работе [40] даны результаты по измерению ЭФ и поглощения в ферро­ магнитной шпинели CclCr2Se4 (TG=130° К), которые при­ ведены на рис. 5.11. Коэффициент поглощения в области 6—17 мкм составляет 15 см“1. В этой области прозрачности

40

3 0

го В

10 У

О

Рис. 5.11. Дисперсия ЭФ (аэ + ам) и коэффициента поглощения а в ферромагнитной шпинели CdCr2Se4.

Гс =130° К , а и — частотно-независимое мапштпое вращеппе (расчет).

кристалл обладает сравнительно большим вращением плос­ кости поляризации. На длине волны А=10.6 мкм сс,|,==

=100 град./см, при длинах воли, больших 14 мкм, аф= =150 град./см и не зависит от частоты.

Гексагональные ферриты BaFe120 19 и Ba2Zn2Fe120 22 обнаруживают примерно такое же поглощение и ЭФ в ближней инфракрасной области, что и ферриты-шпи­ нели. При длинах волн, меньших 2 мкм, ЭФ в этих двух со­ ставах оказался разного знака [39].

ЭФ в ортоферритах

Ортоферриты представляют собой большую группу магнитных кристаллов с общей формулой RFe03, где R обозначает трехвалентный ион иттрия или редко­ земельного элемента. Ортоферриты кристаллизуются в ис­ каженной структуре перовскита, описываемой простран-

408

ствепной группой DJJ?. В этой структуре в отличие от гра­ натов и шпинелей трехвалентные ионы железа занимают только октаэдрические позиции, что зачастую может зна­ чительно облегчить теоретический анализ эксперимен­ тальных результатов. В элементарной ячейке ортоферри­ тов содержатся четыре формульные единицы и, строго говоря, магнитная структура даже иттриевого ортоферрита должна содержать четыре иона железа в ячейке. Однако для упрощения обычно рассматривается двухподрешеточная модель.

При равновесной ориентации спины подрешеток могут быть направлены вдоль трех осей а, Ь, с ромбической ячейки. Ориентация спинов вдоль осей а я с сопровожда­ ется появлением слабого ферромагнитного момента вдоль осей с я а соответственно; при ориентации спинов по оси Ъ магнитная структура является чисто антиферромагнит­ ной и слабый ферромагнетизм запрещен по соображениям симметрии.

Сложная кристаллографическая структура ортоферри­ тов приводит к разнообразному поведению с температурой констант анизотропии и спонтанной намагниченности, в частности возможно изменение равновесной ориентации спинов от одной оси к другой при изменении температуры или во внешнем магнитном поле.

В оптическом отношении ортоферриты являются двух­ осными кристаллами и при их исследовании возникает проблема изучения линейных или квадратичных магнито­ оптических эффектов на фоне большого естественного двупреломления. Результаты в этом случае удобно описать параметрами [11]

Ѳ — удельное фарадеевское вращение, §=к+—к_ (к+, к_ — волновые вектора двух' эллиптически поляризованных волн). Теоретическое обоснование для введения этих па­ раметров было рассмотрено выше в § 5.

Оптические исследования ортоферритов проводились в работах [41—43]. Результаты измерения кристаллогра­ фического двупреломления р в редкоземельных ортофер­ ритах показаны на рис. 5.12 [41]. Для всех кристаллов приведено двупреломление при распространении света па­

409