Введение 3
1. Обзор литературы 7
2. Экспериментальные результаты 15
3. Обсуждение результатов 21
Заключение 32
Список публикаций по теме: 33
Благодарности 34
Список литературы
Магнетизм в квазинизкоразмерных системах интересен в первую очередь с точки зрения влияния кристаллической структуры на магнитное упорядочение. Низкоразмерные материалы демонстрируют физические свойства отличные от их трехмерных аналогов. Большое количество фаз, фазовых переходов и чувствительность к внешнему воздействию связанные с сильным вырождением основного состояния привлекают внимание исследователей.
Система варвикиты - это смешанные бораты с общей формулой М1 М2 ВО4 с линейной структурой в форме лент, тянущихся вдоль оси с. Ленты состоят из четырех колонн из октаэдров, в вершинах которых расположены атомы кислорода, а в центре - ионы двух или трех валентных металлов. Данные ленты обеспечивает низкоразмерные свойства варвикитов. Другое свойство данных структур - случайное распределение 2+ и 3+ валентных ионов в ленте. Вследствие этого, помимо одномерного характера, эта система ещё обладает разбросом величин обменного взаимодействия. Это должно иметься в виду при изучении транспортных и магнитных свойств. Одномерные магнитные структуры-цепочки, как правило, идеализированное представление природы, которые не упорядочиваются при конечных температурах, согласно теореме Мермина-Вагнера. При достаточно низких температурах, слабые взаимодействия между низкоразмерными структурами вызывают переход к большей размерности, что приводит к появлению дальнего магнитного порядка.
В оксиборатах Ml M2 BO4 в качестве катионов могут выступать различные атомы, в том числе и металлы с переменной валентностью, такие как Fe, Mn, Co.
Кристаллическая структура M2BO4 варвикитов в проекции вдоль [001]. Две отчетливые кристаллографические позиции М1 и М2, октаэдрически расположенные между атомами кислорода, изображены синими и зелеными многогранниками. Атомы бора изображены желтыми. Видны низкоразмерные ленты вдоль оси с. Внутри ленточные спаривания увеличивают геометрическую фрустрацию[1]
Обменное взаимодействие между спинами реализуется как внутри квазиодномерных цепочек, так и между такими цепочками, расположенными в одной плоскости [1]. С этой точки зрения научный интерес вызван влиянием различных механизмов обмена на магнитные свойства всего образца.Взаимодействие между спинами марганца из соседних лент слабее Jf=- 2.41K; Js=-0.47K; J9=-0.65K.
Дополнительный интерес данные соединения вызывает с практической точки зрения: смешанные оксибораты оказались перспективными анодами для литий-ионных аккумуляторов. Согласно работе L. Xu [2] при использовании в качестве анода модификации Mn2BO4 Li-ion аккумуляторы обладают ёмкостью 1172 мАч/г при токе 100 мА/г и 724 мАч/г после 120 циклов перезарядки. Возможно, что и другие варвикиты будут обладать свойствами, полезными для практических применений в электронных устройствах.
В настоящий момент опубликованы несколько десятков работ по изучению физических свойств варвикитов, краткий обзор которых приведен ниже. В мировой литературе была обнаружена лишь одна статья об изучении свойств варвикитов, содержащих магний и марганец [4], что подтверждает необходимость дополнительных исследований.
Цель данной работы - изучение магнитных свойств монокристаллов MgMnBO4 методами магнитометрии. В ходе исследования были поставлены следующие задачи:
1. Провести измерения зависимости намагниченности от внешнего магнитного поля в двух ориентациях монокристалла, параллельно и перпендикулярно оси с кристалла.
2. Провести измерения зависимости температурной зависимости намагниченности в двух ориентациях монокристалла, параллельно и перпендикулярно оси с кристалла.
3. Сделать визуальное представление результатов с помощью пакетов программного обеспечения MS Excel и Origin.
4. Провести анализ температурной зависимости намагниченности, определить эффективный магнитный момент, оценить величину обменного взаимодействия.
В ходе выполнения выпускной квалификационной работы были проведены измерения магнитной восприимчивости при полях 200 Э и 10 кЭ в температурном диапазоне 2-300 К.
Проведены измерения молярной теплоёмкости в температурном диапазоне от 5 до 60 К.
Проведён элементный анализ вещества, и уточнено содержание атомов Mn в соединении.
Из анализа температурной зависимости магнитной восприимчивости, измеренной в магнитных полях параллельно и перпендикулярно оси с монокристалла MnMgBO4, установлено, что ниже 16К наблюдается спиновое упорядочение характерное для антиферромагнетика с осью легкого намагничивания, совпадающей с осью с.
Область коротких антиферромагнитных корреляций наблюдается ниже 100К, где температурная зависимость магнитной восприимчивости описывается моделью антиферромагнитной цепочки со случайным гейзенберговским обменом, параметр а=0.445+0.006.
Определены для монокристалла MnMgBO4 температура Кюри-Вейса -98К вдоль оси с кристалла и параметр фрустрации 6.125.
В области высоких температур образец MnMgBO4 демонстрирует парамагнитное поведение.
Ниже температуры антиферромагнитного перехода 16К магнитная восприимчивость, измеренная перпендикулярно оси с кристалла, возрастает. Молярная теплоемкость и магнитная восприимчивость описываются поведением антиферромагнитной цепочки со случайным Гейзенберговским обменом ниже 16К, параметр а=0.116+0.016.
