Взаимосвязь электрических и магнитных свойств в сильно коррелированных электронных системах оксидов и халькогенидов переходных металлов - Автореферат

В большинстве хромовых шпинелей наиболее важные события в электронной и магнитной системах происходят в области криогенных температур, что также ограничивает их практическое применение. Предложено описание взаимосвязи магнитных и электрических свойств боратов, хромовых шпинелей и купратов с единых позиций - на основе конфигурационной многоэлектронной модели энергетической структуры с учетом сильных электронных корреляций. Показано, что в оксидах и халькогенидах переходных металлов важнейшим фактором, ответственным за взаимосвязь магнитных и электрических свойств, являются особенности электронной структуры, формируемые в результате действия сильных электронных корреляций. Достоверность также подтверждается тем, что некоторые явления, предсказанные на основе используемых физических моделей, такие как отклонения от закона Блоха в температурной зависимости намагниченности ферромагнетиков с промежуточной валентностью, нарушение периодичности по обратному полю эффектов де Гааза-ван Альфена и Шубникова-де Гааза в нефермижидкостных системах в данной работе обнаружены экспериментально. Тверь, 1985; Всесоюзная конференция «Тройные полупроводники и их применение», Кишинев, 1989; II Всесоюзная конференция по высокотемпературной сверхпроводимости, Киев, ИМ АН УССР, 1989; International conference of Magnetism, Warsaw, Poland, 1994; Всероссийская конференция «Неоднородные электронные состояния», Новосибирск, ИНХ СО РАН, 1995; Конференция «Твердотельная микроэлектроника», Фрязино, 1995; 10th International Conference on Ternary and Multinary Compounds, Stuttgart, 1995; XV, XVII, XX Международная школа-семинар «Новые магнитные материалы магнитоэлектроники», Москва, 1996, 2000, 2006; Евро-Азиатский Симпозиум EASTMAG-2001, 2004, 2007; Второй международный симпозиум «Инновационные технологии-2001: проблемы и перспективы, организация наукоемких производств», Сочи, 2001; International Conference on Strongly Correlated Electron Systems, Cracow, Poland, 2002 Karlsruhe, Germany, 2004; XXXIII Совещание по физике низких температур, Екатеринбург, 2003; XXX Международная зимняя школа физиков-теоретиков «Коуровка-2004», Екатеринбург-Челябинск, 2004; Moscow International Symposium on Magnetism (MISM-2005), Moscow, Russia, 2005; IX Международный Симпозиум «Фазовые превращения в металлах и сплавах ОМА-9», Ростов-на-Дону, 2006.· Взаимосвязь электрических и магнитных свойств оксидов и халькогенидов переходных металлов может быть выражена в разной мере. При отсутствии перераспределения sp-и d-подобных состояний взаимосвязь магнитных и электрических свойств может быть выражена слабо, что мы наблюдаем в боратах переходных металлов на основе FEBO<3.>· При описании взаимосвязи электрических и магнитных свойств соединений с локализованными магнитными моментами с позиций их энергетической структуры важен учет сильных электронных корреляций.

· Взаимосвязь электрических и магнитных свойств оксидов и халькогенидов переходных металлов может быть выражена в разной мере. Энергетическая близость локализованных и коллективизированных электронных состояний, а также сильное s-d обменное взаимодействие способствуют ярко выраженной взаимосвязи магнитной и электронной подсистем. Эта ситуация реализуется в HGCR2Se4 n-типа. При отсутствии перераспределения sp- и d-подобных состояний взаимосвязь магнитных и электрических свойств может быть выражена слабо, что мы наблюдаем в боратах переходных металлов на основе FEBO<3.>· При описании взаимосвязи электрических и магнитных свойств соединений с локализованными магнитными моментами с позиций их энергетической структуры важен учет сильных электронных корреляций. Многоэлектронная модель энергетической структуры, построенная с учетом СЭК, позволила адекватно описать совокупность экспериментальных данных по статическому намагничиванию, электрической проводимости и оптическому поглощению двух столь различных классов материалов как хромовые шпинели и бораты переходных металлов. Отклонения от закона Блоха в намагниченности и слабопериодичные по обратному полю квантовые осцилляции намагниченности и сопротивления, предсказанные на основе многоэлектронной теории ферромагнетиков с промежуточной валентностью, экспериментально обнаружены в вырожденном магнитном полупроводнике HGCR2Se4 n-типа.

· Взаимная связь между транспортными и магнитными явлениями в оксидах и халькогенидах переходных металлов может формироваться также вследствие других механизмов: спинового магнитосопротивления (La2CUO4), зарядового упорядочения ((VS)x(Fe2O3)2-x), проявления эффекта Кондо (FEXV1-XS), фазового расслоения (CUXZN1-XCR2Se4), конкуренции различных спиновых состояний (РЗМ-кобальтиты).

· В результате комплексных исследований магнитных, электрических и оптических свойств монокристаллов твердых растворов Fe1-XVXBO3 обнаружен концентрационный магнитный переход антиферромагнетик-ферромагнетик. Выявлено изменение характера проводимости от активационного при высоких температурах к моттовскому прыжковому при низких.

· На основе многоэлектронной модели зонной структуры с учетом сильных электронных корреляций показано, что в отличие от FEBO3, который является диэлектриком с переносом заряда, VBO3 можно отнести к диэлектрикам Мотта-Хаббарда. В рамках этой модели описано концентрационное изменение спектра оптического поглощения и его связь с изменением магнитного порядка. Обнаружено слабое взаимное влияние магнитного порядка и электронного транспорта.

· В результате исследований магнитной структуры малоизученных оксиборатов для VBO3 обнаружена одноосная анизотропия и исследована температурная зависимость первой константы одноосной анизотропии К1. Для CRBO3 наряду с одноосной обнаружена значительная гексагональная анизотропия.

· При изучении магнитных свойств монокристаллов вырожденного ферромагнитного полупроводника n-HGCR2Se4 обнаружено нарушение типичного для ферромагнетиков закона Блоха (Т3/2) температурной зависимости намагниченности. Наряду с блоховским обнаружен значительный линейный по температуре вклад в намагниченность, обусловленный промежуточной валентностью ионов хрома.

· Исследования процессов электропереноса в HGCR2Se4 n-типа выявили сложную природу носителей заряда в s-d гибридизованных зонах с доминирующим вкладом s-подобных носителей при низких температурах. Выявлена прямая зависимость электрической проводимости от намагниченности. Результаты интерпретированы на основе многоэлектронной модели энергетической структуры. Определены параметры модели.

· В n-HGCR2Se4 обнаружены квантовые осцилляции намагниченности и проводимости. Выявлены отклонения от традиционных эффектов де Гааза-ван Альфена и Шубникова-де Гааза, выражающиеся в нарушении периодичности эффектов по обратному магнитному полю 1/H. При описании эффектов использованы представления о нефермижидкостной зависимости химпотенциала от температуры и магнитного поля, имеющие место в многоэлектронной модели ферромагнетиков с промежуточной валентностью.

· Обнаружена сильная взаимосвязь электронного транспорта и магнитного порядка в недопированном монокристалле La2CUO4. Выявлена аномалия электросопротивления в точке Нееля образца. Установлена полная корреляция намагниченности и магнитосопротивления при магнитном переориентационном переходе.

· Раскрыты механизмы формирования взаимосвязи магнитных и электрических свойств при концентрационных переходах в смешанных оксидных и халькогенидных соединениях переходных металлов. В твердых растворах FEXV1-XS обнаружен концентрационный переход от режима Кондо к магнитному упорядочению. Для оксисульфида (VS)x(Fe2O3)2-x обнаружен переход металл-диэлектрик, сопровождаемый магнитным фазовым переходом и структурными изменениями. В качестве возможного механизма перехода рассмотрено зарядовое упорядочение. Исследованы концентрационные переходы в смешанных шпинелях CDXHG1-XCR2Se4 и CUXZN1-XCR2Se4. Для CUXZN1-XCR2Se4 механизм перехода объяснен на основе представлений о разделении фаз в магнитных полупроводниках.

· При сравнительном изучении изоструктурных РЗМ-кобальтитов GDCOO3 и SMCOO3 обнаружены значительные различия в их низкотемпературном магнитном поведении. Проведены оценки расщепления уровней иона Sm3 в кристаллическом поле. Показана определяющая роль ван-флековского вклада в магнитную восприимчивость SMCOO3, обусловленная особенностями электронной структуры уровней иона Sm<3 .>

Результаты диссертации опубликованы в следующих работах

1. Чернов В.К., Гавричков В.А., Иванова Н.Б., Вейсиг Г.С., Бояршинов Ю.В. Температурная зависимость подвижности в магнитном полупроводнике HGCR2Se4. // ФТТ. - 1986. - T. 28, B. 1, C. 289-291.

2. Иванова Н.Б., Чернов В.К. Температурная зависимость намагниченности в магнитном полупроводнике HGCR2Se4. // ФТТ. - 1986. - T. 28, B. 6, C. 1941-1943.

3. Дудников В.А., Иванова Н.Б., Исаева Т.Н., Клищенко Е.Н., Овчинников С.Г. Теремов С.Г., Чернов В.К. Исследование системы Y-Ba-Cu-O ультразвуковым методом в области температур 20е9500 С. // Проблемы высокотемпературной сверхпроводимости. - 1987. - Ч.II. - C.201-202.

4. Бидман Т.А., Волков В.Е., Вершинина Л.И., Иванова Н.Б., Леонтьев А.Ю., Овчинников С.Г., Чернов В.К. Особенности микроструктуры и физических свойств таллиевых керамик, модифицированных платиной // СФХТ. - 1990.-T. 3, №1. - C.73-77.

5. Петраковский Г.А., Лосева Г.В., Киселев Н.И., Иванова Н.Б., Овчинников С.Г., Черепанов В.К. Высокотемпературная сверхпроводящая фаза в системе Fe1-XS // Письма в ЖЭТФ. - 1991. - T. 54, B. 4, C. 1-4.

6. Балаев А.Д., Быков А.Б., Демьянец Л.Н., Иванова Н.Б., Овчинников С.Г., Хрусталев Б.П., Чернов В.К. Корреляции электронных и магнитных свойств La2CUO4 // ЖЭТФ. - 1991. - T. 100, B. 4 (10). - C. 1365-1369.

7. Волков В.Е., Ковалев Ю.Г., Фокина Н.П., Данилов И.Ю., Вершинина Л.И., Иванова Н.Б., Чернов В.К., Овчинников С.Г. Состав и свойства таллийсодержащих высокотемпературных сверхпроводников, полученных в присутствии некоторых фторидов металлов // СФХТ. - 1994. - T. 7, №5. - C. 876-883.

8. Овчинников С.Г., Балаев А.Д., Чернов В.К., Левшин В.А., Иванова Н.Б., Хрусталев Б.П. Температурные квантовые осцилляции намагниченности в ферромагнитном полупроводнике n-HGCR2Se4 // Письма в ЖЭТФ. - 1995. - T. 62, B. 8. - C. 620-624.

9. Балаев А.Д., Вальков В.В., Гавричков В.А., Иванова Н.Б., Овчинников С.Г., Чернов В.К. Квантовые осцилляции сопротивления и намагниченности в магнитных полупроводниках и полуметаллах // УФН. - 1997. - T. 167, №9. - C. 1016-1019.

10. Ovchinnikov S.G., Balaev A.D., Gavrichkov V.A., Ivanova N.B. Quasiparticle band structure of ferromagnetic semiconductors. // in Magnetism and electron correlation in local-moment system: rare-earth elements and compounds // ed. by M. Donath, P.A. Dowben, W. Nolting, Singapour-London: World Scientific. - 1998. - P. 407-430.

11. Aaa?e?eia A.A., Eaaiiaa I.A., Ia?eiieeia N.A., Aieiia O.A., Aaeaaa A.A., Oaaoieia A.A. N?aaiaiea iaoaieciia io?eoaoaeuiiai iaaieoinii?i-oeaeaiey a ia?aaioaauo ia?ianeeoao e o?iiiauo oieiaeyo // OOO. - 1999. - T.41, B. 10. - C. 1800-1803.

12. Лосева Г.В., Овчинников С.Г., Чернов В.К., Иванова Н.Б., Киселев Н.И., Бовина А.В. Корреляция магнитных и электрических свойств системы оксисульфидов (VS)x(Fe2O3)2-x // ФТТ. - 2000.-T. 42, B. 4. - C. 712-715.

13. Лосева Г.В., Овчинников С.Г., Балаев А.Д., Иванова Н.Б., Киселев Н.И. Переход от режима Кондо к дальнему магнитному порядку в системе FEXV1-XS // ФТТ. - 2000. - T. 42, B. 7. - C. 1284-1286.

14. Балаев А.Д., Жуков Э.Г., Иванова Н.Б., Казак Н.В., Овчинников С.Г., Попел Е.П. О возможности двухфазного магнитного состояния в смешанной халькогендной шпинели CUXZN1-XCR2Se4 // ФТТ. - 2001. - T. 43, B. 6. - C. 1053-1056.

15. Иванова Н.Б., Руденко В.В., Балаев А.Д., Казак Н.В., Марков В.В., Овчинников С.Г., Эдельман И.С., Федоров А.С., Аврамов П.В. Магнитные, оптические и электрические свойства твердых растворов VXFE1-XBO3 // ЖЭТФ. - 2002. - T. 121, B. 2. - C. 354-362.

16. Иванова Н.Б., Казак Н.В., Овчинников С.Г., Попел Е.П. Влияние термической неустойчивости на магнитные свойства твердых растворов Cu1-XZNXCR2Se4 // ФТТ. - 2002. - T. 44, B. 9. - C. 1643-1646.

17. Markov V.V., Rudenko V.V., Edelman I.S., Ivanova N.B., Kazak N.V., Balaev A.D., Ovchinnikov S.G. Concentration phase transitions in single-crystal solid solutions VXFE1-XBO3 // The Physics of Metals and Metallography. - 2002. - V. 93, N. 9. - P. 114-118.

18. Балаев А.Д., Иванова Н.Б., Казак Н.В., Овчинников С.Г., Руденко В.В., Соснин В.М. Магнитная анизотропия боратов переходных металлов VBO3 и CRBO3 // ФТТ. - 2003. - T. 45, B. 2. - C. 273-278.

19. Balaev A.D., Kazak N.V., Ovchinnikov S.G., Rudenko V.V., Ivanova N.B. Magnetic properties of transition metal borates FEBO3, VBO3, CRBO3 // Acta Physica Polonica B. - 2003. - V. 34, ?2. - P. 757-760.

20. Балаев А.Д., Aa?eia I.A., Aaneeuaa A.A., Aaeeeaiia A.A., Иванова Н.Б., Казак Н.В., Овчинников С.Г., Abd-Elmegiud M., Руденко В.В. Iагнитные и электрические свойства варвикита Fe1,91V0,09BO4 // ЖЭТФ. - 2003. - T. 124, B. 11. - C. 1103-1111.

21. Aa?eia I.A., Abd-Elmegiud M., Иванова Н.Б., Казак, С.Г. Овчинников, В.В. Руденко Эффект Мессбауэра в твердых растворах Fe1-XVXBO3 // ФТТ. - 2004. - T. 46, B. 6. - C. 1058-1064 (2004).

22. Иванова Н.Б., Казак Н.В., Марков В.В., Овчинников С.Г., Руденко В.В., Abd-Elmegiud M. Анализ оптических и электрических свойств монокристаллов VBO3 и твердых растворов Fe1-XVXBO3 на основе многоэлектронной модели их зонной структуры // ФТТ. - 2004. - T. 46, B. 8. - C. 1422-1427.

23. Kazak N.V., Ovchinnikov S.G., Abd-Elmegiud M., Ivanova N.B. Mossbauer, magnetization and resistivity studies of Fe1,91V0,09BO4 // Physica B. - 2005. - V. 359-361. - P. 1324-1326.

24. Kazak N.V., Balaev A.D., Ivanova N.B., Ovchinnikov S.G. Electronic properties of Fe1-XVXBO3 at ambient conditions and at high pressure // J. Phys.: Cond. Matter. - 2005. - V.17. - P. S795-S800.

25. Kazak N.V., Balaev A.D., Ovchinnikov S.G., Ivanova N.B., Rudenko V.V. Study of Fe1-XVXBO3 system magnetisation // JMMM. - 2006. - V. 300, N.1. - P. 507-510.

26. Иванова Н.Б., Васильев А.Д., Великанов Д.А., Казак Н.В., Овчинников С.Г., Петраковский Г.А., Руденко В.В. Магнитные и электрические свойства оксибората Co3BO5 // ФТТ. - 2007. - T. 49, B. 4. - C. 618-620.

27. Иванова Н.Б., Казак Н.В., Michel C.R., Балаев А.Д., Овчинников С.Г., Васильев А.Д., Булина Н.В., Панченко Е.Б. Влияние допирования стронцием и барием на магнитное состояние и электропроводность GDCOO3 // ФТТ. - 2007. - T. 49, B. 8. - C. 1427-1434.

28. Иванова Н.Б., Казак Н.В., Michel C.R., Балаев А.Д., Овчинников С.Г. Сравнение низкотемпературного магнитного поведения РЗМ-кобальтитов GDCOO3 и SMCOO3 // ФТТ. - 2007. - T. 49, B. 11. - C. 2027-2032.

Размещено на .ru