Исследование кристаллической, магнитной структуры и физических свойств твердых растворов BaFe12-xAlxO19 (x= 0.1 – 1.2)НИР

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 11 августа 2014 г.-31 декабря 2014 г. Исследование кристаллической, магнитной структуры и физических свойств твердых растворов BaFe12-xAlxO19 (x= 0.1 – 1.2)
Результаты этапа: Исследование микроструктуры и физических свойств экспериментальных образцов твердых растворов гексагональных ферритов М-типа BaFe12-xAlxO19 (х=0.1-1.2) Из измерений температурных зависимостей удельной намагниченности образцов BaFe12-xAlxO19, приведенных на рис. 4 (см. в приложении – полный вариант отчета), следует, что рост концентрации ионов алюминия приводит к уменьшению удельной намагниченности, величина которой уменьшается от 49.6 emu/g (x=0.1) до 32 emu/g (x=1.2). Из данных графиков также были определены температуры магнитного фазового перехода из ферримагнитного состояния в парамагнитное. Наибольшее значение температуры фазового перехода ферримагнетик-парамагнетик (~705 K) наблюдается в образце с минимальным содержанием ионов алюминия (x = 0.1). Эта температура на ~20 К меньше, чем температура Кюри исходного бариевого феррита BaFe12O19. По мере увеличения концентрации диамагнитных ионов Al в твердом растворе бариевого феррита, количество магнитоактивных соседей у ионов железа – уменьшается, вследствие чего магнитный порядок разрушается при более низких значениях температуры. Следовательно, величина температуры Кюри – уменьшается (см. вставку на рис. 4). Подобное поведение температуры Кюри согласуется с работами других авторов. Подобное поведение удельной намагниченности (снижение значения намагниченности с увеличением концентрации ионов алюминия) наблюдается и на графике полевых зависимостей удельной намагниченности (рис.5 - см. в приложении – полный вариант отчета). Практически все составы выходят в насыщение во внешних магнитных полях до 0.2 Тл. Благодаря высокой разрешающей способности ФДВР для всех полученных образцов был проведен анализ микроструктуры для определения характерных размеров когерентно рассеивающих блоков и микродеформаций в кристаллитах. Наличие размерного и деформационного факторов оказывает влияние на ширину дифракционных пиков, с разной функциональной зависимостью от dhkl, что позволяет их разделить. ФДВР является дифрактометром по времени пролета, функцию разрешения которого в первом приближении можно записать в виде простой аналитической формулы. Измеряемые на нем ширины дифракционных пиков, Whkl, зависят от dhkl следующим образом (см. формулу 3 в приложении – полный вариант отчета): где константы C1 и C2 определяются функцией разрешения дифрактометра, C3 ~ ?2, C4 ~ (1/L), ? – микродеформация, L – размер когерентно рассеивающих блоков. Зная функцию разрешения дифрактометра и строя зависимости W2(d2) в достаточно большом диапазоне межплоскостных расстояний, можно найти ? и L. Измеренные зависимости W2(d2) для нескольких образцов с различным химическим составом показаны на рис.7. Видно, что экспериментальные точки хорошо аппроксимируются линейными функциями, т.е. эффект размера отсутствует (L > 3000 A), а их наклон увеличивается при увеличении концентрации диамагнитных ионов алюминия. Такое поведение указывает на возрастание микродеформаций в кристаллитах. Показанные на рис. 6 экспериментальные точки соответствуют разным комбинациям индексов Миллера, что указывает на отсутствие явных анизотропных эффектов в уширении дифракционных пиков. Вклад истинного физического уширения в ширину линий нейтронограмм был выделен как разность квадратов полуширины дифракционных пиков исследуемых образцов и функции разрешения дифрактометра, которую определили по эталону Al2O3 в ходе отдельного эксперимента. Зависимость микродеформаций от химического состава образцов показана на рис. 7 (см. в приложении – полный вариант отчета). Рост величины микроскопических напряжений при увеличении концентрации ионов алюминия связан с возрастающим беспорядком системы, в результате статистического распределения ионов алюминия по магнитным подрешеткам, которые могут вносить различный вклад в общую деформацию. Исследование магнитной структуры экспериментальных образцов твердых растворов гексагональных ферритов М-типа BaFe12-xAlxO19 (х=0.1-1.2) В гексаферритах, магнитоактивные ионы Fe3+ расположены в позициях, которые имеют октаэдрическое (Fe1 – 2a, Fe4 – 4fVI и Fe5 – 12k), тетраэдрическое (Fe3 – 4fIV) и бипирамидальное (Fe2 – 2b) кислородное окружение. В результате частичного замещения ионов железа диамагнитными ионами алюминия, которые распределяются статистически по всем эквивалентным положениям магнитной решетки, можно ожидать изменение величин магнитных моментов в соответствующих позициях. Данные были получены при комнатной температуре, что значительно ниже температуры фазового перехода ферримагнетик-парамагнетик для соответствующих составов. Ее описание в интервале концентраций от x = 0.1 до 1.2 полностью удовлетворяет модели, предложенной Гортером, согласно которой, все магнитные моменты атомов Fe3+ ориентированы вдоль оси легкого намагничивания, совпадающей с гексагональной осью Oc (рис.8). В табл. 3 (см. в приложении – полный вариант отчета) приведены значения, а на рис.9 (см. в приложении – полный вариант отчета) концентрационные зависимости магнитных моментов ионов Fe3+ в различных кристаллографических позициях: 2a, 2b, 4fIV, 4fVI и 12k. По мере замещения ионов железа диамагнитными ионами алюминия обменное взаимодействие между магнитными подрешетками нарушается, что приводит к уменьшению величины их магнитных моментов. Незначительное изменение величины магнитного момента, например, для состава x=0.6 проявляется в уменьшении величины моментов магнитных подрешеток, образованных ионами железа, расположенными в 2a и 2b позициях, может быть следствием неоднородности в распределении ионов алюминия по кристаллографическим позициям в процессе приготовления образцов. Можно предположить, что при невысокой концентрации ионов алюминия в соединении они должны распределяться статистически по всем неэквивалентным положениям магнитной решетки гексагонального феррита. Однако в нашем случае, для уменьшения расхождения между экспериментальными данными и выполненными расчетами кристаллической и магнитной решеток, частично замещенных ионами алюминия бариевых ферритов, в большей степени было отдано предпочтение к замещению ионов железа в 2a, 2b и 12k позициях, тогда как в 4fIV и 4fVI – в меньшей степени. Так как на распределение ионов Al в значительной степени оказывает влияние метод получения образцов, то подтверждение правильности наших суждений по их распределению в соответствующих кристаллографических позициях планируется найти в ходе проведения дополнительных исследований. Результирующий магнитный момент, приходящийся на формульную единицу бариевого феррита (BaFe12O19) при температуре T, может быть рассчитан, согласно, по формуле (4) (см. в приложении – полный вариант отчета). где mi – магнитный момент иона Fe3+ в i-й подрешетке. Так как расчеты магнитных моментов подрешеток исследованных составов бариевых ферритов выполнены по данным, полученым при комнатной температуре, значения их полных магнитных моментов значительно меньше 20 ?B на формульную единицу (ф.ед.). Это объясняется как влиянием диамагнитных ионов Al, так и тепловым фактором, вызывающим разориентацию магнитных моментов в пространстве из-за роста тепловых колебаний ионов, образующих кристаллическую решетку. Концентрационная зависимость Mtotal приведена на рис.10 (см. в приложении – полный вариант отчета).

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".