Общая абсолютная погрешность измерения теплоемкости Ctotal,%, определенная из суммы (2.9), (2.10), (2.13) и (2.14) составляет

Ctotal,% 0.8 %. (2.15)

Монокристаллы манганитов системы La1-xSrxMnO3 с x = 0,175 и 0,25 были выращены в МИРЭА методом зонной плавки с оптическим нагревом. Согласно рентгеноструктурному анализу большинство составов являлось однофазными монокристаллами.

На рис. 3.1 представлена фазовая диаграмма манганитов системы La1-xSrxMnO3, из которой сразу бросается в глаза многообразие возможных видов магнитного и структурного упорядочений и соответствующих фазовых переходов вдоль границ их соприкосновения. В зависимости от уровня допирования х, температуры Т и магнитного поля Н манганиты проходят через цепочку фазовых переходов с разнообразными типами упорядочения: магнитного, структурного и электронного, показанных на рис. 3.1.

Структуру идеального кубического перовскита LaMnO3 можно представить как совокупность правильных октаэдров MnO6, которые касаются друг друга вершинами, при этом каждый ион La³⁺ расположен в центре кубической ячейки с вершинами, занятыми ионами Mn³⁺, которые окружены октаэдрами из атомов кислорода, образующих локальный комплекс MnO6 с ионами Mn³⁺ в положении с кубической симметрией (рис. 3.2).

Средняя температура микрокалориметра измерялась медь-константановой термопарой с диаметром проволочек 100 мкм, а температурные осцилляции - хромель-константановой термопарой, изготовленной с помощью точечной электросварки из расплющенных 25 мкм проволок. Скорость изменения температуры не превышала 0.1 К/мин, а в окрестности перехода - 0.05 К/мин. Осцилляции температуры образца с частотой 2 Гц возбуждались с помощью светового потока от лампы накаливания, промодулированного механическим прерывателем. Амплитуда осцилляций температуры образца не превышала 0.05 K, что особенно важно при исследованиях в окрестности фазовых переходов.

Рис.3.1. Фазовая диаграмма манганита La1-xSrxMnO3. PI - парамагнитный изолятор, PM - парамагнитный металл, FM - ферромагнитный металл, FI - ферромагнитный изолятор, CNI - антиферромагнитный изолятор, Tc и TN - температура Кюри и Нееля соответственно, Tp - температура поляронного упорядочения, а Ts - температура структурных переходов.

Рис. 3.2. Структура кубического перовскита LaMnO3.

3.2 Результаты исследования температурной зависимости теплоемкости монокристаллов системы La1-xSrxMnO3 с x = 0,175 и 0,25 в различных магнитных полях и их обсуждение

Среди редкоземельных манганитов наиболее изученными системами являются La1-xSrxMnO3 в области дырочного допирования. Эти составы характеризуются большим количеством различных магнитных и структурных фазовых переходов. Такое разнообразие свойств в значительной степени определяется конкуренцией свехобмена и двойного обмена [51], а также эффектом Яна-Теллера [52]. Конкуренция обменных сил, зависящая от температуры или магнитного поля, обусловливает многообразие фазовых переходов в манганитах.

В манганитах системы La1-xSrxMnO3 из-за разницы ионных радиусов La и замещающего его двухвалентного Sr, а также благодаря эффекту Яна-Теллера, возникают значительные локальные искажения решетки, выражающиеся в отклонении угла связи Mn-O-Mn от 180^о. Такие искажения могут быть двух видов. В одном случае минимум свободной энергии достигается путем поворота октаэдров MnO6 вокруг одной или нескольких осей исходной решетки. В другом случае искажение вызвано тем, что ион Mn³⁺ в кубическом поле кристалла вырожден по d-орбиталям: такое поле расщепляет атомный d-уровень на двукратно и трехкратно вырожденные подуровни lg и t2g , см. рис. 3.3. Первый из них лежит выше второго и потому четыре d-электрона иона Mn³⁺ занимают уровень t2g полностью, а уровень lg - лишь частично. Этим объясняется возможность эффекта Яна-Теллера, который уменьшает энергию такой системы путем понижения ее симметрии, снимающего вырождение с электронных уровней.

Для такой структуры ключевым элементом является геометрический фактор, а именно, соседние октаэдры имеют общий атом кислорода (лиганд) вдоль связи Mn-O-Mn. Следствием таких связей является невозможность изолированных или независимых деформаций или поворотов отдельно взятого октаэдра. Если статическое ян-теллеровское искажение фиксировано на заданном узле i, это приводит к соответствующему сжатию октаэдров соседних узлов. Таким образом кооперативный эффект Яна-Теллера приводит к искажениям кристаллической решетки и структурному фазовому переходу как типа порядок-беспорядок, так и к структурному фазовому переходу типа смещения. Отметим также, что исходная кубическая сингония может при этом испытывать тетрагональное, орторомбическое или ромбоэдрическое искажения.

Рис. 3.3. Расщепление 3d-оболочки марганца Mn³⁺ и индуцированная этим деформация кристаллической решетки.

На рис. 3.4 приведены результаты измерения температурной зависимости теплоемкости монокристалла манганита La0.825Sr0.175MnO3 в широком интервале температур 80350 К. Из рисунка видно, что в области температуры 285 К наблюдаются аномалия теплоемкости. Эта аномалия соответствует магнитному фазовому переходу ферромагнетик-парамагнетик, то есть точке Кюри.

На рис. 3.5 представлена температурная зависимость теплоемкости монокристалла манганита La0.75Sr0.25MnO3 в широком интервале температур 80350 К. Как видно из этого рисунка в окрестности примерно 330 К наблюдается аномалия теплоемкости, которая также соответствует ферромагнитному упорядочению.

Непрерывный характер аномалий теплоемкости монокристаллов манганитов La0.825Sr0.175MnO3 и La0.75Sr0.25MnO3 свидетельствует о фазовом переходе 2 рода, а их величины об объемном характере этих магнитных фазовых переходов.

На следующих двух рисунках 3.6. и 3.7 представлены результаты подробного исследования как без поля так и в различных магнитных полях аномалий теплоемкости, обнаруженных при сканирующих измерениях теплоемкости в широком интервале температур, которые бли представлены на предыдущих двух рисунках 3.5 и 3.6. На рис. 3.6. показаны температурные зависимости теплоемкости монокристалла манганита La0.825Sr0.175MnO3. в различных магнитных полях 0, 4, 18 и 26 кЭ в окрестности точки Кюри. На рис. 3.6. показаны температурные зависимости теплоемкости монокристалла манганита La0.75Sr0.25MnO3 без поля и в магнитном поле 2 кЭ в окрестности точки Кюри.

Рис.3.5. Температурная зависимость теплоемкости монокристалла манганита La0.75Sr0.25MnO3.

Рис.3.6. Температурные зависимости теплоемкости монокристалла манганита La0.825Sr0.175MnO3. в различных магнитных полях в окрестности точки Кюри.

Рис.3.7. Температурные зависимости теплоемкости монокристалла манганита La0.75Sr0.25MnO3 без поля и в магнитном поле 2 кЭ в окрестности точки Кюри.

Как видно из рисунков 3.6 и 3.7 с ростом величины магнитного поля аномалии теплоемкости в окрестности точки Кюри сдвигаются в область более высоких температур, их амплитуды в общем уменьшаются за исключением случае при поле в 18 кЭ, а переходные области расширяется. Это в целом согласуется с типичным поведением ферромагнетика в магнитном поле.

При сравнении данных на рисунках 3.6 и 3.7 очевидно, что с ростом допирования стронцием Sr скачок теплоемкости ??Cp значительно возрастает, также значительно возрастает и значение самой точки Кюри Tc. Это однозначно свидетельствует о возрастании доли ферромагнитной фазы в образце и интеграла двойного ферромагнитного обменного взаимодействия с ростом индекса допирования от 0.175 до 0.25. Однако одновременно с этим, то есть с ростом индекса допирования, растет и ширина перехода, что свидетельствует об увеличении структурного беспорядка по мере замещения лантана стронцием.

В нижеследующей таблице приведены значения критических температур Tc, ширины перехода Tc и скачка теплоемкости??Cp при магнитных фазовых переходах в различных магнитных полях по данным для исследованных образцов монокристаллов манганитов La0.825Sr0.175MnO3 и La0.75Sr0.25MnO3, представленных на рисунках 3.6 и 3.7.

Вернемся теперь к замеченному выше аномальному минимуму скачка теплоемкости ?Cp в манганите La0.825Sr0.175MnO3??Cp в магнитном поле 18 кЭ.

В поле 26 кЭ скачка теплоемкости ?Cp вновь возрос. Конечно, чтобы проследить дальнейшую тенденцию, было бы желательно использовать более высокие магнитные поля, однако наши возможности были ограничены характеристиками имеющегося электромагнита.

По нашему мнению такое аномальное поведение скачка теплоемкости ?Cp в манганите La0.825Sr0.175MnO3 в зависимости от магнитного поля: уменьшение скачка теплоемкости ?Cp до достижения поля в 18 кЭ, а затем после этого значения возрастание связано с конкуренией спиновых и орбитальных взаимодействий, и влиянием на эту конкуренцию магнитного поля. Возможно, что в области 18 кЭ посредством спин-орбитального взаимодейтвия, а также возможно и прямого упорядочивающего воздействия магнитного поля на d-орбитали Mn возникает структурное упорядочение Ян-Теллеровских октаэдров MnO6.

Заключение

ВпервыеРазмещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

измерены температурные зависимости теплоемкости монокристаллов манганитов системы La1-xSrxMnO3 (x = 0,175; 0,25) в магнитном поле в окрестности точки Кюри.

В температурной зависимости Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

теплоемкости исследованных монокристаллов манганитов La0.825Sr0.175MnO3 и La0.75Sr0.25MnO3 в окрестности температур 285 и 328 К, соответственно, обнаружены аномалии соответствующие магнитному фазовому переходу ферромагнетик-парамагнетик.

Установлено, что с возРазмещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

растанием магнитного поля аномалии теплоемкости в окрестности точки Кюри сдвигаются в область более высоких температур, их амплитуды в общем уменьшаются за исключением случая для состава La0.825Sr0.175MnO3 в поле 18 кЭ, а переходные области расширяются.

Аномальный минимум Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

скачка теплоемкости ?Cp манганита La0.825Sr0.175MnO3 при поле 18 кЭ, не согласующийся с классическим поведением ферромагнетика в магнитном поле, по-видимому, обусловлен Ян-Теллеровским структурным упорядочением.

Литература

1. Zener С. Interaction between the d-shells in the transition metals. 2, ''Phys. Rev.'', v. 82, p. 403; (1951)

2. Горьков Л П "Решеточные и магнитные эффекты в легированных манганитах" УФН 168 c 665-671 (1998)

3. De Gennes P G Phys. Rev.118, 141c Bond Environment // http://arxiv.org/abs/cond-mat/0209340 (1960).

4. Нагаев Э. Л. Физика магнитных полупроводников c 318-321 (М. Науки, 1979).

5. Нагаев Э. Л. Манганиты лантана и другие магнитные проводники с гигантским магнетосопротивлением УФН, 166:8, c833-858 (1996).

6. Горьков Л П УФН, том 168, номер 6, страницы 665-671 (Mi ufn1486). ... СПЕЦИАЛЬНЫЙ ВЫПУСК. Решеточные и магнитные эффекты в легированных манганитах. (1998).

7. Georges A et al Rev. Mod. Phys. Interaction between the d-Shells in the Transition Metals 68, c 13 (1966).

8. Furukawa N J. Phys. Title: Thermodynamics of the Double Exchange Systems. Soc. Jpn. 63, c 14-32 (1994).

9. Furukawa N? Cond-mat/9812066. Title: Thermodynamics of the Double Exchange Systems. (1994).

10. Millis A J? Littlewood P B, Shraiman B I Phys. Rev. Lett. 74, 5144 (1995).

11. Edwards D M, Green A.C. M, Kubo K J. Phys.: Condens. Mat. 11, 2791 (1999).

12. Narimanov E E, Varma C M, cond-mat/0002191.

13. Yunoki S et al. Phys. Rev. Lett. 80. c 845 (1998).

14. Kuchinskii E Z, Nekrasov I A, Sadovskii M V Письма в ЖЭТФ 82 217 (2005); Kuchinskii E Z, Nekrasov I A, Sadovskii M V JETP Lett. ... van den Brink J, Khomskii D Phys. Rev. Lett. 82.10-16 (1999).

15. Ramirez A P J. Phys. Interaction between the d-Shells in the Transition Metals: Condens. Mat. 9. c 8171-8199 (1997).

16. Горьков Л Пб Кресин В З Письма в ЖЭТФ 67. c 985 (1998).

17. Локтев В М, Погорелов Ю. Г. ФНТ Том 26, Выпуск 3 (Март 2000), c. 231-261 (2000).

18. E. O. Wollan and W. C. Koehler. Neutron Diffraction Study of the MagneticProperties of the Series of Perovskite-Type Compounds La1xCaxMnO3 // Phys.Rev. 100, 545-563 (1955).

19. John B. Goodenough. Theory of the Role of Covalence in the Perovskite-Type Manganites [La, M(II)]MnO3 // Phys. Rev. 100, p.564-573 (1955).

20. P. Schiffer, A. P. Ramirez, W. Bao, and S-W. Cheong. Low Temperature Magnetoresistance and the Magnetic Phase Diagram of La1-xCaxMnO3 // Phys. Rev. Lett. 75, 3336-3339 (1995).

21. J. Millis. Lattice effects in magnetoresistive manganese perovskites // Nature 392, 147-150 (1998).

22. B.F. Woodfield, M.L. Wilson, and J.M. Byers. Low-Temperature Specific Heat of La1-xSrxMnO3+d // Phys. Rev. Lett. 78, 3201-3204 (1997).

24. М.Н.Хлопкин, Г.Х.Панова, А.А.Шиков, В.Ф. Синянский, Д.А. Шулятев. Теплоемкость монокристаллов La_1-xSr_xMnO₃ в различных магнитных состояниях // ФТТ 42, 111(2000).

25. A.P. Ramirez, P. Schiffer, S-W. Cheong et al. Thermodynamic and Electron Diffraction Signatures of Charge and Spin Ordering in La_1-xCa_xMnO₃ // Phys. Rev. Lett. 76, 3188-3191 (1996).

26. Soo Hyun Park, Yoon-Hee Jeong, Ki-Bong Lee, and S.J. Kwon. Specific heat and resistivity of a double-exchange ferromagnet La0.7Ca0.3MnO3 // Phys. Rev. B 56, 67-70 (1997).

27. Yoon-Hee Jeong, S.H. Park, T.Y. Koo, K.-B. Lee. Fisher-Langer relation and scaling in the specific heat and resistivity of La0.7Ca0.3MnO3 // Solid State Ionics 108, 249-254 (1998).

28. M. Ausloos, L. Hubert, S. Dorbolo, A. Gilabert, R. Cloots. Magnon-polaron and Spin-polaron Signatures in the Specific Heat and Electrical Resistivity of La0.6Y0.1Ca0.3MnO3 in Zero Magnetic Field, and the Effect of Mn-O-Mn Bond Environment // http://arxiv.org/abs/cond-mat/0209340

29. Никулин Е.И., Егоров В.М., Байков Ю.М. и др. Проводимость, магнитосопротивление и теплоемкость кислороддефицитных образцов La0.67Ca0.33MnO3- (0 0.4) // ФТТ 44, 881-887 (2002).