Исследовние мультиферроиков RFe3(BO3)4 (R = Eu, Pr) методами терагерцовой спектроскопии

К. Н. БОЛДЫРЕВ, М. Н. ПОПОВА

Институт спектроскопии РАН, Троицк

ИССЛЕДОВНИЕ МУЛЬТИФЕРРОИКОВ RFe3(BO3)4 (R = Eu, Pr) МЕТОДАМИ
ТЕРАГЕРЦОВОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

Проведено исследование спектров терагерцового диапазона монокристаллов ферро - и хромовых боратов с различными редкими землями. Показано, что исследование спектров поглощения и отражения в области 20-200 см-1 позволяет регистрировать фазовые переходы, как магнитные, так и структурные, а также позволяет выявить их особенности.

Редкоземельные бораты с общей формулой RM3(BO3)4 (R = Y, La-Lu; М = Al, Ga, Fe, Cr, Sc) имеют одноосную тригональную нецентросимметричную структуру [1], характерной особенностью которой является наличие спиральных цепочек – М – О – М – вдоль кристаллографической оси с. Серия проведенных ранее исследований показала, что в кристаллах редкоземельных ферроборатов RFe3(BO3)4 наблюдается антиферромагнитное упорядочение подсистемы железа при температурах около 40 К, а в некоторых из них наблюдается структурный фазовый переход из тригональной структуры с пр. гр. симметрии R32 с в более низкосимметричную, но также тригональную структуру с пр. гр. симметрии P3121. В ряде соединений ферроборатов наблюдался гигантский магнито(ди)электрический эффект и было показано, что данные соединения относятся к новому классу мультиферроиков [2,3]. В данной работе проведено исследование ферроборатов EuFe3(BO3)4 и PrFe3(BO3)4 методами терагерцовой спектроскопии (20‑200см-1) в широком интервале температур (3-300К).

Известно, что редкоземельный борат европия EuFe3(BO3)4 претерпевает два фазовых перехода, структурный при температуре TC = 58 K (R32-P3121) [4], и антиферромагнитный при температуре TN = 34 K [5]. В спектрах мы наблюдали значительный сдвиг фононных частот, а также появление новых фононов при температуре TC, сопряженный с наблюдаемыми особенностями в поведении диэлектрической константы и теплового расширения [6]. Меньший, но хорошо заметный сдвиг фононов наблюдался и при температуре ниже TN, что свидетельствует о заметном спин-решеточном взаимодействии в указанном соединении [7].

Редкоземельный борат празеодима PrFe3(BO3)4 не имеет структурного фазового перехода, то есть структура кристалла вплоть до самых низких температур описывается пространственной группой симметрии R32. Однако в этом соединении наблюдается антиферромагнитный фазовый переход при TN = 32 K [8]. В спектрах нормального отражения ниже температуры 90 K в p-поляризации (k^c, E||c) наблюдалось появление новой линии 48 см-1. Мы связываем появление этой особенности с термическим опустошением нижнего электронного уровня иона Pr3+ и взаимодействием этого уровня с близкорасположенным фононом с энергией 60см-1.

Работа поддержана РФФИ (грант № мол_а).

Список литературы

1. Campá J. A., Cascales C., Gutierrez-Puebla E., et. al. Chem. Mater. 19P.237.

2. Zvezdin A. E., Krotov S. S., Kadomtseva A. M., et. al. JETP Lett. 20P.272.

3. Kadomtseva A. M., Popov Yu. F., Vorob’ev G. P., et. al. J. Low Temp. Phys. 20P.640.

4. Popova M. N. Journal of Rare Earths. 20P.607.

5. Popova M. N. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 20P.716.

6. Kadomtseva A. M., Popov Yu. F., Vorob’ev G. P., et. al. J. Low Temp. Phys. 36(P.640.

7. Boldyrev K. N., Stanislavchuk T. N., Klimin S. A., Popova M. N., Bezmaternykh L. N. Phys. Lett. A. 3P.2562.

8. Stanislavchuk T. N., Popova M. N., Malkin B. Z., Bezmaternykh L. N. Phys. Rev. B. 20