диэлектрические и магнитные свойства мультиферроиков La0.875Sr0.125MnO3 и La0.93Sr0.07MnO3 под воздействием сильных магнитных полей
1, 1,2, V. I. Nizhankovskii3, 4
1Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, г. Санкт-Петербург
2Физико-технический институт им. , г. Санкт-Петербург
3International laboratory of high magnetic fields and low temperatures, Wroclaw
4Казанский физико-технический институт им. КазНЦ РАН, г. Казань
E-mail: p. yu. *****@***com
Получены температурные зависимости намагниченности М(Т) для монокристаллов La0,875Sr0,125MnO3 (LSMO-0,125) и La0,93Sr0,07MnO3 (LSMO-0,07). Определены температуры фазовых переходов, которые составили для LSMO-0,07 ТС= 125,8 (1,5) К, а для LSMO-0,125: ТС1 = 181,2 (1,5) К и ТС2 = 157,6 (1,5) К. Из зависимостей М(Т) определены значения магнитных моментов: м1 = 2,47(1) мB/Mn и м2 = 2,82(1) мB/Mn для LSMO-0,125 и LSMO-0,07 соответственно.
Кубический перовскит LaMnO3 [1, 2] состоит из октаэдров MnO3, соединенных кислородными вершинами в куб с ионом La3+ в центре. Структура La1-xSrxMnO3 (LSMO-x), согласно результатам, описанным в работе [3], имеет два типа искажений, из-за чего сильно отличается от кубической: 1) искажения, обусловленные несоответствием размеров катионов размерам соответствующего пространства; 2) искажения, обусловленные эффектом Яна-Теллера (ЯТ) [2, 4], который заключается в уменьшении энергии подобной вырожденной системы, благодаря понижению симметрии, снимающей вырождение с электронных уровней.
Исследования свойств лантан-стронциевого манганита в зависимости от температуры авторами работы [5] обнаружили несколько магнитных и структурных переходов: появление антиферромагнитного и ферромагнитного упорядочения, структурные переходы между сильно - и слабо-искаженной орторомбическими фазами, переход в ромбоэдрическую фазу, а также переход в состояние поляронного упорядочения [6] (когда один из двух чередующихся атомных слоев плоскости (001) содержит только ионы Mn3+, а другой – оба типа ионов).
Данные о структурных переходах в соединениях LSMO-x сильно различаются. К примеру, согласно результатам, представленными в работах [5, 7, 8] в соединении LSMO-0,125 высокотемпературный структурный переход происходит при Т = 270 К из одной орторомбической структуры в другую с появлением кооперативных ЯТ-искажений, а при дальнейшем понижении температуры при Т = 150 К происходит обратный переход (с подавлением данных искажений). В то же время из результатов работ [6, 9, 10] следует, что первый переход происходит из орторомбической фазы (Pbnm) в моноклинную (P21/с); а второй – из моноклинной в триклинную (P1) [11].
Целью данной работы было получение информации о величинах магнитных моментов, роде фазовых переходов и их температурах для составов LSMO-0,07 и LSMO-0,125.
Нами были исследованы монокристаллические образцы весом 121,95 мг – LSMO-0.125 и 152,8 мг – LSMO-0.07 соответственно Эксперимент проводился на вибрационном магнетометре в Международной лаборатории сильных магнитных полей и низких температур (International Laboratory of High Magnetic Fields and Low Temperatures, Вроцлав, Польша).
а)
б) 
Рис. 1. Температурная зависимость намагниченности для образцов состава LSMO-0.07 (а) и LSMO-0.125 (б) при охлаждении. Пунктирные и точечные линии соответствуют аппроксимациям зависимостей.
На Рис. 1а представлена зависимость намагниченности образца состава LSMO-0.07 от температуры. Стоит отметить изменение хода кривой около 130 К, что по данным фазовой диаграммы в работе [5], соответствует температуре магнитного фазового перехода из парамагнитной фазы в неколлинеарную с появлением спонтанной и остаточной намагниченности, что, согласно этой же работе [5], свидетельствует о слабоферромагнитности низкотемпературной фазы. Для более точного определения температуры фазового перехода зависимость была аппроксимирована различными функциями в низкотемпературной и высокотемпературной областях: парамагнитная фаза аппроксимировалась прямой, а низкотемпературная – функцией (TC – Т)в (*), где в – критический индекс, значение которого из аппроксимации в = 0,280 ± 0,0084. Точка пересечения, принятая за температуру фазового перехода составила T = 125,8 (1,5) K, которая с точностью 0,5 К совпадает со значением, полученным из аппроксимации.
На Рис. 1б изображена зависимость намагниченности от температуры для состава LSMO-0.125. На представленной зависимости наблюдаются два фазовых перехода. Для определения температур фазового перехода кривая аппроксимировалась аналогичным образом, однако низкотемпературная фаза разделена на две: аппроксимация первой (до Т1) – ступенчатая функция, характерная для ФП первого рода, вторая – указанной выше функцией (*). Величина критического индекса в = 0.440 ± 0,0132.
Первый фазовый переход из них (Т1 = 181,2 (1,5) К) согласуется с примерными значениями, полученными в работе [5] и согласно которым соответствует температуре Кюри.
Второй (Т2 = 157,6 (1,5) К) соответствует переходу в так называемую поляронную или фазу поляронного упорядочения [5, 6].
Для оценки величин магнитных моментов обоих составов использовалась следующая формула:
,
где м – магнитный момент, М – намагниченность, В – прикладываемое магнитное поле в эрстедах, kB – постоянная Больцмана, N – количество магнитных атомов в единице объема.
а)
б) 
Рис. 2. Температурная зависимость обратной намагниченности для образцов LSMO-0.0125 (a) и LSMO-0,07 (б). Пунктирные линии соответствуют аппроксимациям зависимостей.
Таким образом, оценочные значения магнитных моментов для обоих соединений: м1 = 2,47(1) мB/Mn и м2 = 2,82(1) мB/Mn, для LSMO-0,125 и LSMO-0,07 соответственно. Для сравнения с результатами, полученными авторами работы [12], для соединения La0,7Ca0,3Mn0,91Fe0,09O3 магнитный момент при температуре ТFM = 1,5 К составил м = 3,27(3) мB/Mn.
Полученная информация поможет прояснить микроскопические механизмы процессов, происходящих при приближении к фазовым переходам, а также процессов, определяющих чрезвычайно высокие значения диэлектрической проницаемости, колоссальное магнитосопротивление и магнитоемкостной эффект.
Полученные результаты имеют фундаментальное значение: построение адекватных теоретических моделей, описывающих процессы, происходящие в мультиферроиках с колоссальным магнитосопротивлением, диэлектрической проницаемостью и магнитоемкостным эффектом; а также практическое применение: понимание указанных процессов даст возможность управлять данными свойствами, что открывает еще большие возможности применения LSMO, не считая применений в качестве материала для топливных ячеек, катализаторов химических процессов, магнитных датчиков, устройств магнитной записи и др.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Wollan E. O., Koehler W. C. Neutron Diffraction Study of the Magnetic Properties of the Series of Perovskite-Type Compounds [(1−x)La, xCa]MnO3// Physical Review. 1955. Vol. 100. Pp. 545.
2. Фесенко перовскита и сегнетоэлектричество // М.: Атомиздат. 1972. 248 с.
3. Нагаев лантана и другие магнитные проводники с гигантским магнитным сопротивлением // Успехи физических наук. 1996. Т. 166. № 8. С. 833-858.
4. , Хомский Яна — Теллера и магнетизм: соединения переходных металлов // УФН. 1982. Т.136. С. 621-664.
5. , , и др. Магнитные и структурные переходы в La1-xSrxMnO3: фазовая Т – х диаграмма // Письма в ЖЭТФ. 1998. Т. 68. Вып. 4. С. 331-336.
6. Yamada Y., Himo O., Nohdo S. et al. Polaron Ordering in Low-Doping La1-xSrxMnO3 // Phys. Rev. Letters. 1996. Vol. 77. No. 5. Pp. 904.
7. Kawano H., Kajimoto R., Kubota M. et al. Ferromagnetism-induced reentrant structural transition and phase diagram of the lightly doped insulator La1-xSrxMnO3 (x ≤ 0.17) // Physical Review B. 1996. Vol. 53. Issue. 22. Pp. R14709.
8. Nojiri H.,Keneko K., Motokawa M. et al. Two ferromagnetic phases in La1-xSrxMnO3 (x ~ 1/8) // Physical Review B. 1999. Vol. 60. Issue. 6. Pp. 4142.
9. Geck J., Wochner P., Bruns D. et al. Rearrangement of the orbital-ordered state at the metal insulator transition La7/8Sr1/8MnO3 // Physical Review B. 2004. Vol. 69. Pp. 104413.
10. Cox D. E., Iglesias T., Moshopoulou E. Vertical boundary at x ≈ 0.11 in the structural phase diagram of the La1-xSrxMnO3 system (0.08 ≤ x ≤ 0.125) // Physical Review B. 2001. Vol. 64. Pp. 024431.
11. , , Голенищев- и др. Высокочастотные ультразвуковые исследования структурного фазового перехода в монокристалле La0.875Sr0.125MnO3 // Физика твердого тела. 2007. Т. 49. Вып.3. С. 496-498.
12. , , Laiho R. Кристаллическая структура и магнитный порядок манганитов La0,7Ca0,3Mn1-yFeyO3 // ФТТ. 2007. Т. 49. Вып. 4. С. 691-695.
