Синтез и исследование магнетизма в мультиферроиках Bi(1-x)Tb(x)FeO3 с использованием высоких давлений

В магнитоэлектрических мультиферроиках наблюдается сосуществование магнитного и ферроэлектрических порядков в одной фазе. Эти соединения представляют интерес как с фундаментальной (изучение магнитного и ферроэлектричесого порядка по отдельности и их взаимовлияния), так и с прикладной сторон (использование в наноустройствах для хранения данных и спинтроники - передача энергии и информации путем "манипулирования" состояниями спина). В магнитоэлектрических мультиферроиках со спариванием магнитного и электрического упорядочения возможно оказывать влияние на магнитное состояние с помощью электрического поля и наоборот. Одним из наиболее изученных магнитоэлектрических мультиферроиков является BiFeO3. В этом соединение при комнатной температуре, которое имеет кристаллическую структуру типа LiNbO3 с пространственной группой R3c (No. 161), сосуществует ферроэлектрическое упорядочение, которое происходит ниже температуры TC = 1100 K, и антиферромагнитное упорядочение, с TN = 643 K. Антиферромагнитная структура BiFeO3 представляет собой длинноволновую циклоиду магнитных моментов Fe с направлением распространения [110]hex и периодом около 620 А. Эта модуляция, вызванная взаимодействием Дзялошинского-Мории, приводит к линейному члену в энергии магнитоэлектрического взаимодействия. Однако в действительности магнитоэлектрическое взаимодействие в BiFeO3 является довольно слабым квадратичным, что связано с усреднением, которое вызывается вращением магнитных моментов в циклоиде. Для появления линейного спариванания между магнетизмом и электрическим полем требуется разрушение несоизмеримой магнитной циклоиды. Также практическое применение BiFeO3 ограничено низким электрическом сопротивление и малой величиной электрической поляризации в поликристаллических образцах, что вызвано токами утечки из-за наличия примесных фаз и кислородных вакансий. Одним из способов улучшения функциональных свойств BiFeO3 является изовалентное замещение Bi редкоземельными 3+ ионами. Такое замещение способно препятствовать образованию примесных фаз в соединении и увеличению магнитокристаллической анизотропии, что препятствует образованию магнитной циклоиды. Другим способом изменения магнитной структуры BiFeO3 и соединений на его основе является применение внешнего высокого давления. Использование высокого давления имеет преимущество по сравнению с химическим замещением поскольку не вносит разупорядочения в систему, не ведет к декогеренции пар 6s электронов Bi, которые являются основным элементом в создании электрической поляризации, и позволяет точно контролировать объем элементарной ячейки. В данном проекте предлагается провести изучение соединений состава Bi(1-x)Tb(x)FeO3 (x = 0.05 - 0.3). При этом, как для синтеза (для термобарического отжига и/или первой ступени синтеза), так и для исследований физических свойств будет использована техника высоких давлений, что позволит контролируемым образом влиять на свойства и фазовые переходы. Несмотря на то, что соединения BiFeO3 и Bi(1-x)R(x)FeO3 могут быть синтезированы при нормальном давлении использование высокого давления позволит улучшить качество получаемых образцов (однофазность), а также увеличит предел растворимости редкоземельных ионов (x). В рамках проекта предполагается провести синтез соединений из ряда Bi(1-x)Tb(x)FeO3, определить их кристаллическую структуру, фазовый состав, а также исследовать магнитные свойства (макро и микро). Ион Tb3+ значительно меньше чем ион Bi3+, имеет больший атомарный вес и магнитный момент благодаря неспаренным 4f электронам. Замещение Bi на Tb будет вызывать не только сжатие решетки, но и может существенным образом повлиять на магнитоэлектрические свойства. Определение кристаллической структуры будет проводиться с использованием рентгеновской и нейтронной дифракции. Такое совместное применение дифракционных методов позволит более точно обнаружить примесные фазы, в случае их наличия, а также определить положения ионов элементарной ячейке, поскольку положение ионов кислорода в структуре соединений Bi(1-x)R(x)FeO3 не может быть точно определено с использованием лишь одной рентгеновской дифракции. Для выяснения природы магнитоэлектрического взаимодействиями необходимо знать магнитную структуру. Эта задача может быть решены с помощью нейтронной дифракции и метода возмущенных угловых гамма-гамма корреляций (ВУК). Метод ВУК позволит определить сверхтонкие магнитные поля в узлах пробных ядер и долю магнитной фазы в соединении. С помощью дифракции нейтронов будет возможным определить направление, величину магнитных моментов Fe и Tb (в случае магнитного упорядочения 4f спинов), тип магнитной структуры и волновой вектор. Также макроскопические магнитные свойства (изотермическая намагниченность и магнитная восприимчивость) будут исследованы на PPMS. Несмотря на то, что кристаллическая структура, намагниченность и магнитная восприимчивость соединений Bi(1-x)Tb(x)FeO3 с x = 0.05 - 0.25 ранее уже изучались, использование высоких давлений для синтеза и изменения магнитных свойств не проводились. Сравнение полученных результатов с литературными данными позволит оценить необходимость использования высоких давлений для улучшению функциональных свойств Bi(1-x)Tb(x)FeO3. Детальная магнитная структура Bi(1-x)Tb(x)FeO3 также не изучалась.