Отчет о выполнении проекта № 19-72-00055 «Терагерцовая-субтерагерцовая спектроскопия легированных свинцом монокристаллов гексагонального феррита бария – материала нового поколения электронных устройств»

В рамках выполнения работ по Проекту с применением методов терагерцовой-инфракрасной а также радиочастотной спектроскопии были исследованы образцы гексагональных ферритов М-типа Ba(1-x)Pb(x)Fe12O19 (x=0.1, 0.2, 0.8), BaFe(12-y)Ti(y)O19 (y=0.62,0.75, 1,15) и мультиферроичного флюороперовскита NaMnF3. Проведенное в рамках данного проекта исследование терагерцовой-инфракрасной электродинамики а также ультразвуковое исследование модулей упругости BaFe(12-y)Ti(y)O19, у(Ti)=0.75 показало наличие аномалии в упругом модуле с44, связанной с проявлением эффекта Яна-Теллера. Кроме того исследование чистого гексаферрита бария BaFe12O19 показало отсутствие аномалий в модуле с44. Искажения, вносимые в октаэдрические позиции структуры бариевого гексаферрита, запрещают проявление эффекта Яна-Теллера на ионах, занимающих эти позиции. Исследование терагерцовой электродинамики данных соединений и сравнение наблюдаемой в них температурных аномалий в области 78 К с ультразвуковым откликом позволило однозначно выявить позицию, занимаемую янтеллеровскими центрами. Сделан вывод, что при легировании гексаферрита бария ионами Ti4+ часть ионов Fe3+ в тетраэдрических позициях 4f1 восстанавливается до Fe2+, обеспечивая таким образом электронейтральность кристаллической решетки. Особенность изученной системы заключается в том, что при легировании титаном примесь встраивается в сайт-позиции трехвалентного железа практически равновероятно (как было показано в имеющихся публикациях), при этом восстановление Fe3+ до Fe2+ происходит исключительно в позициях 4f1. Таким образом, при определенных концентрациях титана (у(Ti)=2) можно добиться создания кристалла с полностью заполненной 4f1 подрешеткой Ян-Теллеровских центров Fe2+.Проведено комплексное исследование состава Ba0.2Pb0.8Fe10.8Al1.2O19. Наблюдаемые резонансные линии поглощения в инфракрасной области спектра (выше 80см-1) соотнесены с полярными фононными колебаниями решетки. Помимо линий в инфракрасной области (выше 80 см-1), связанных с решеточными колебаниями, в обеих поляризациях наблюдается ряд линий поглощения в терагерцовом диапазоне (ниже 80 см-1), проявляющих ярко-выраженную температурную зависимость. Данные возбуждения приписаны электронным переходам в тонкой структуре двухвалентного железа. Предложена модель, полностью описывающая поведение наблюдаемых линий с учетом понижения симметрии локальных сайт-позиций железа. Рассмотрение характеров неприводимых представлений термов группы C3v позволило определить правила отбора по симметрии для каждого перехода в аксиальных спектрах пропускания. Применяя вышеописанный подход при анализе полученных экспериментальных данных, удалось соотнести все наблюдаемые в спектрах линии с конкретными электронными переходами, а также объяснить их температурную динамику. При изучении электродинамического отклика состава с малой концентрацией свинца Ba(1-x)Pb(x)Fe12O19 (х(Pb)=0.1, 0.2) была обнаружена «мягкая мода» в поляризации вектора Е перпендикулярно оси с. Стоит отметить, что данное возбуждение не было зарегистрировано ни в ранее изученных чистых составах бариевого гексаферрита BaFe12O19 и магнетоплюмбита PbFe12O19, ни в их твердых растворах с большими концентрациями свинца Ba(1-x)Pb(x)Fe12O19 (х(Pb)=0.7, 0.8), в том числе изученных в рамках данного Проекта. При этом температурная динамика частоты моды не описывается законом Кохрана, а ее диэлектрический вклад не подчиняется закону Кюри-Вейсса. Гексаферриты М-типа являются антисегнетоэлектриками и ферримагнетиками, являясь таким образом мультиферроиками. Таким образом, происхождение мягко-модовых возбуждений в электродинамическом отклике может быть проявлением взаимосвязи магнитной и диэлектрической подсистем. Температурная динамика резонансной частоты возбуждения в обоих составах описывается степенным законом с показателем критической экспоненты порядка 0.3. Кроме того, было показано, что сила осциллятора (произведение диэлектрического вклада на квадрат резонансной частоты) мягкой моды убывает с понижением температуры, что свидетельствует о процессе передачи силы осциллятора другим возбуждениям. Еще одним интригующим результатом явилось обнаружение признаков наличия резонансной линии поглощения на гигагерцовых частотах, высокочастотный край которой был зарегистрирован в терагерцовых спектрах. Предположительно линия имеет диэлектрический вклад порядка 10 и резонансную частоту около 1 см-1.