Год издания: 2017
Ключевые слова: динамика кристаллической решетки, фононные спектры, неупругое рассеяние нейтронов, фазовые переходы
Аннотация: Соединения RFe3(BO3)4 (R – редкоземельный ион) со структурой хантита привлекают внимание исследователей благодаря разнообразию своих магнитных свойств, обусловленному наличием двух магнитных подсистем - редкой земли и железа. Большой интерес в последние годы вызван обнаружением в этих соединениях магнитоэлектрического эффекта, вознПоказать полностьюикновения электрической поляризации при магнитном упорядочении и/или при приложении внешнего магнитного поля. Данное свойство делает кристаллы редкоземельных ферроборатов перспективными материалами для применения в микроэлектронике.?В кристаллах RFe3(BO3)4 при R = Eu- Er, Y наблюдается необычный структурный фазовый переход типа смещения из фазы с пространственной группой симметрии R32 в фазу с пространственной группой Р3121 при понижении температуры, причем в зависимости от редкоземельного иона температура перехода меняется в очень широком интервале от 88К до 450К [1] (в кристаллах, где R = La – Sm, структурный переход экспериментально не наблюдался). При таком переходе точечная симметрия не меняется, меняется только трансляционная симметрия, объем ячейки увеличивается в три раза. Важно отметить, что при фазовом переходе меняется точечная симметрия локального окружения редкоземельного иона с 32 (в фазе R32) на 2 (в фазе P3121).Таким образом, в низких температурах кристаллическое электрическое поле, действующее на редкоземельный ион в соединениях ферроборатов, в которых сохраняется высокосимметричная фаза R32 и в тех, что претерпевают структурный переход в фазу P3121, будет существенно отличаться. Этот факт будет сказываться на отличии магнитных, магнитоупругих и магнитоэлетриченских свойств соединений имеющих в низких температурах группы R32 и P3121.?В работе [1] при исследовании теплоемкости соединений RFe3(BO3)4 наблюдались слабые аномалии, связанные со структурным переходом. В работе [2] была решена и подробно описана структура низкотемпературной фазы (группа симметрии Р3121) для GdFe3(BO3)4. В работах [2,3] исследовались Рамановские спектры соединений RFe3(BO3)4, где ниже температуры фазового перехода наблюдалось восстановление мягкой моды из области низких частот до частот 50-60 см-1.?В работе [4] нами был проведен расчет (в рамках теории функционала плотности и приближения ионного кристалла с учетом дипольной и квадрупольной поляризуемостей ионов) фононного спектра кристалла HoFe3(BO3)4 в высокотемпературной фазе с пространственной группой симметрии R32. В направлении Г>Z зоны Бриллюэна была обнаружена аномалия в поведении поперечной акустической ветки колебаний, а именно несвойственный для акустических ветвей прогиб в окрестности точки зоны 1/3(b1+b2+b3) (b1,b2,b3 – вектора обратной решетки). Искажение в фазе R32 феробората гольмия по собственному вектору такой нестабильной моды приводит к пространственной группе Р3121 с тремя молекулами в элементарной ячейке, что соответствует экспериментально наблюдаемой структуре ниже температуры перехода в кристалле HoFe3(BO3)4.?Работ посвященных исследованию структурного фазового перехода редкоземельных ферроборатов в литературе присутствует не много и его нельзя назвать хорошо изученным. Таким образом, подробное исследование динамики решетки на предмет структурной неустойчивоcти в кристаллах RFe3(BO3)4 является актуальной задачей.?Также хотелось бы отметить, что как показала практика работы с кристаллами редкоземельных ферроборатов, ввиду относительно небольших величин смещений ионов при фазовом переходе, рентгеновским и рамановским методами не всегда удается установить наличие структурного фазового перехода. У авторов настоящего проекта есть возможность подробного исследования динамики решетки методом неупругого рассеяния нейтронов, что в совокупности с теоретическими расчетами может способствовать пониманию механизмов структурного фазового перехода в редкоземельных ферроборатах.?В рамках проекта впервые будет произведен рост больших монокристаллов RFe3(B11O3)4, где R = Pr, Nd, Dy, Ho, с линейными размерами порядка одного сантиметра. Такие образцы позволят провести качественный эксперимент по исследованию спектров неупругого рассеяния нейтронов, а именно получить дисперсионные зависимости частот колебаний кристаллической решетки в различных направлениях зоны Бриллюэна и в окрестности точки обратного пространства, с которой связан исследуемый структурный фазовый переход. Исследования неупругого рассеяния нейтронов будут проводиться с использованием Импульсного Спектрометра на Холодных Нейтронах (Cold Neutron Chopper Spectrometer) от Ускорительного Источника Нейтронов (Spallation Neutron Source) Национальной Лаборатории Оyк-Риджа (Oak Ridge National Laboratory, TN, USA). В выбранных для исследования образцах DyFe3(B11O3)4 и HoFe3(B11O3)4 структурный фазовый переход должен наблюдаться при температурах 280К [5] и 366К [4] соответственно. В то время как, в кристаллах PrFe3(B11O3)4 и NdFe3(B11O3)4 структурный фазовый переход по имеющимся экспериментальным данным отсутствует. Для понимания причин возникновения этого перехода, его наличия или отсутствия в конкретном образце, зависимости его температуры от типа редкоземельного иона, подробное исследование и сравнение спектров неупругого рассеяния нейтронов рассматриваемых кристаллов представляет большой интерес и может в купе с соответствующими первопринципными расчетами динамики кристаллической решетки, которые также будут произведены в рамках настоящего проекта для всех рассматриваемых кристаллов, позволить понять механизм исследуемого структурного фазового перехода.?1. Y. Hinatsu, Y. Doi, K. Ito, et all., J. Solid State Chem. 172, 438 (2003)?2. S. A. Klimin, D. Fausti, A. Meetsma, et all., Acta Cryst. B61, 481 (2005)?3. D. Fausti, A. A. Nugroho, P. H. M. van Loosdrecht, et all., Phys. Rev. B 74, 024403 (2006)?4. V. I. Zinenko, M. S. Pavlovskii, A. S. Krylov, et all., JETP 117, 1032 (2013)?5. E.A. Popova,N. Tristan, A.N. Vasiliev, et all., Eur. Phys. J. B62, 123 (2008)