Структурні дослідження перовскитоподібних систем в області низькотемпературних фазових перетворень

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна

УДК 538.9; 538.91; 538.915

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Спеціальність 01.04.07 - Фізика твердого тіла

Структурні дослідження перовскитоподібних систем в області низькотемпературних фазових перетворень

Шведун Михайло Юрійович

Харків - 2007

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Фізико-технічному інституті низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України, м. Харків

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, Сіренко Валентина Анатоліївна (ФТІНТ ім. Б.І.Вєркіна НАН України, відділ магнітних властивостей і спектроскопії нормальних металів, провідний науковий співробітник).

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор, Фінкель Віталій Олександрович (Національний науковий центр “Харківський фізико-технічний інститут”, начальник лабораторії “Фізичного матеріалознавства функціональних матеріалів”). кандидат фізико-математичних наук, Гуревич Алла Михайлівна (ФТІНТ ім. Б.І.Вєркіна НАН України, відділ надпровідності, старший науковий співробітник).

Захист відбудеться “20” листопада 2007 р. о 15⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої Вченої ради Д 64.175.03 при Фізико-технічному інституті низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України (61103, м. Харків, пр. Леніна, 47).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ФТІНТ ім. Б. І. Вєркіна НАН України, 61103, м. Харків, пр. Леніна, 47.

Автореферат розіслано “18” жовтня 2007 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 64.175.03 доктор фізико-математичних наук, професор Є.С. Сиркін.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Дослідження перовскитоподібних систем становлять зміст одного з найцікавіших і перспективних напрямків фізики твердого тіла. Ці сполуки являють собою модельні об'єкти для вивчення властивостей сильнокорельованих електронних систем і викликають інтерес як з фундаментальної наукової, так і з практичної точок зору. Для даних сполук характерна наявність сполучень різного типу фазових переходів в електронній, магнітній і кристалічній підсистемах, конкуренції цих взаємодій і їхній вплив на унікальні властивості перовскитоподібних систем.

Унікальні властивості перовскитоподібних структур (особливо сполук типу ВТНП 1-2-3) багато в чому визначаються складністю їхньої кристалічної побудови та обумовленою цим сильною локальною анізотропією міжатомної взаємодії. Силова взаємодія різних атомів залежно від напрямку може відрізнятися на порядок. При цьому напрямки сильного та слабкого зв'язку міняються від атома до атома і анізотропія пружних модулів даних сполук не занадто велика. Однією з вимірюваних характеристик, що дозволяє судити про локальну анізотропію розглянутих об'єктів є їхнє теплове розширення.

Експериментальне дослідження тонких ефектів у поводженні даної термодинамічної характеристики, наприклад таких як немонотонне поводження температурних залежностей коефіцієнтів лінійного теплового розширення уздовж різних кристалографічних напрямків, дає важливу інформацію про величину локальної анізотропії міжатомної взаємодії на кожному вузлі. Це дуже важливо як для розуміння особливостей електрон-фононної взаємодії в сполуках даного класу, так і для правильного пояснення багатьох процесів, що відбуваються в цих речовинах при участі фононів.

Попутно помітимо, що саме локальна анізотропія міжатомних взаємодій притаманна активно досліджуваним останнім часом нанорозмірним структурам, у яких зміна силових характеристик від атома до атома є однією з основних причин, що визначають їхні специфічні властивості. Розвинені в цієї роботі низькотемпературні експериментальні методики представляються цілком придатними і для одержання інформації про міжатомну взаємодію в нанооб'єктах.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу Шведуна М.Ю. виконано у відділі магнетизму і відділі магнітних властивостей і спектроскопії нормальних металів Фізико-технічного Інституту Низьких Температур ім. Б.И. Вєркіна НАН України в рамках тематичних планів інституту по відомчих тематиках, затвердженим Президією НАН України: Ф2-1 "Низькотемпературні магнітні, оптичні і резонансні властивості сполук з сильною взаємодією магнітної, електронної та іонної підсистем" (№ держ. реєстрації 0100U006266) і Ф4-10 “Низькотемпературні властивості магнітоконцентрованих фероїків та твердотільних систем” (№ держ. реєстрації 0104U003035). Робота також проводилася в рамках проекту 02.07/00359 (договір № Ф7/394-2001) МОН України "Комплексні фізичні дослідження природи надпровідникового стану в шаруватих системах з різним спектром квазічастинкових збуджень" (№ держ. реєстрації 0102U003098), у рамках молодіжного гранта НАН України "Неоднорідні магнітні стани та ефекти розділення фаз у магнетиках та надпровідниках " (№ держ. реєстрації 0103U008092), у рамках договору № Ф10/50-2005 з МОН України “Механізм виникнення феромагнітного стану в системах зі змішаною валентністю іонів” (№ держ. реєстрації 0106U002562) і рамках договору № М/257-2004 з МОН України “Магнітні та структурні дослідження власних неоднорідних та метастабільних станів у надпровідникових та магнітних матеріалах з сильними електронними кореляціями” (№ держ. реєстрації 0102U003098).

Мета дисертаційної роботи полягала в проведенні систематичних досліджень анізотропії температурних залежностей теплового розширення широкого класу сполук з перовскитоподібною структурою істотно нижче температури Дєбая в області низькотемпературних фазових перетворень. Відповідно до мети роботи її завдання можуть бути коротко сформульовані в такий спосіб:

· вимір температурних залежностей параметрів елементарної решітки на сполуках з різними заміщеннями, що стабілізують структуру або, навпаки, що ініціюють структурні перетворення;

· аналіз можливих особливостей теплового розширення в області низькотемпературних фазових переходів і встановлення їхнього взаємозв'язку з магнітними та електронними особливостями цих сполук;

· дослідження головним чином області низьких Т < И_D, температур у зв'язку з можливими проявами аномалій типу "мембранного ефекту", обумовленими шаруватістю структури.

Об'єктом досліджень є теплове розширення в сильноанізотропних перовскитоподібних матеріалах.

Предметом дослідження є залежність параметрів елементарної решітки від температури в основному в області низькотемпературних фазових переходів.

Дослідження температурних залежностей параметрів елементарної решітки проводилися методами низькотемпературної рентгенівської та нейтронної дифрактометрії в магнітних полях до 4 Тл, і в інтервалі температур від 20 до 300 К.

Наукова новизна отриманих результатів визначається наступними положеннями, що мають пріоритетний характер:

1. вперше проведене систематичне дослідження анізотропії температурних залежностей теплового розширення широкого класу сполук з перовскитоподібною структурою істотно нижче температури Дебая.

2. в області температур нижче 150 К для купратів і манганітів з перовскитоподібною структурою (EuBaCuO і NdCaMnO) виявлене збільшення параметра решітки с уздовж осі четвертого порядку зі зниженням температури.

3. експериментально виявлена кореляція по температурі положень мінімумів і максимумів на температурних залежностях коефіцієнтів лінійного теплового розширення уздовж різних кристалографічних напрямків сполук EuBaCuO із заміщенням барію легкими домішками, що служить підтвердженням решіточного (фононного) механізму негативного розширення та доводить визначальний вплив локальної анізотропії міжатомної взаємодії на поводження фононних спектрів таких багатошарових кристалічних структур.

4. методом порошкової рентгенівської дифракції виявлено, що низькотемпературний фазовий перехід сполуки NdSrMnO у зарядововпорядкований стан супроводжується зниженням симетрії кристала від орторомбічної до моноклінної.

5. методом щ-сканування продемонстроване формування двійникової доменної структури при переході в моноклінну фазу.

Наукова і практична цінність результатів дисертації полягає в тому, що в ній вперше проведене комплексне дослідження і пояснення аномалій теплового розширення в сильноанізотропних сполуках з перовскитоподібною структурою, що має істотне значення для кращого розуміння фізичних процесів в анізотропних твердих тілах.

Апробація результатів проходила на наступних всеукраїнських і міжнародних конференціях:

§ The European Conference: Physics of Magnetism (Poznan, Poland, July 1-5, 2002);

§ 12-th General Conference of the European Physical Society “Trends in Physics” (Budapest, Hungary, August 26-30, 2002);

§ Всеукраїнська конференція студентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики ЕВРІКА-2003 (Львів, Україна, 21-23 травня, 2003);

§ Всеукраїнська конференція молодих вчених та науковців “Сучасні питання матеріалознавства” (Харків, Україна, 9-13 вересня, 2003);

§ The 20th General Conference of the Condensed Matter Division (Prague, Chech Republic, July 19-23, 2004);

§ Smart materials for ranging systems (Krasnoyarsk, Russia, 29 August - 1 September, 2004);

§ XXXIV Нарада по фізиці низьких температур НТ-34 (Ростов-на-Дону, Росія, 26-30 вересня, 2006).

Особистий внесок. Постановка задач здійснювалася д. фіз.-мат. наук Сіренко В.А. Усі наукові статті Шведуна М.Ю., що містять основні результати даної роботи, опубліковані в співавторстві, але його особистий внесок в ці роботи є визначальним та складається з такого:

§ у роботах [1, 2] - автор брав участь в одержанні і обробці експериментальних даних. Розробка та розрахунок схеми зйомки монокристалів сполуки Nd_0,5Sr_0,5MnО₃ за допомогою щ-сканування при низькій температурі виконані особисто автором. Також автором проведений розрахунок схеми двійниковання та порівняння з даними магнитооптичних вимірів;

§ у роботі [3] - автор брав активну участь в одержанні і обробці експериментальних даних, в аналізі залежності кристалічної структури сполуки La_1-xBi_xMnO_3+л від змісту кисню та вісмуту;

§ у роботі [4] - автор брав участь в обробці і аналізі результатів структурних досліджень слабодопованих манганітів з перовскитоподібною структурою серії Nd_1-xCa_xMnO₃ (х ? 0,15). Для сполуки Nd_0,88Ca_0,12MnO₃ автором проведені дослідження температурної залежності параметрів і об'єму елементарної решітки, а також визначені деякі важливі міжатомні відстані та кути;

§ у роботах [5-7] - автор брав участь у цілеспрямованому дослідженні анізотропного термічного стиску і супутніх особливостей температурних залежностей коефіцієнта лінійного теплового розширення на сполуках Eu₁(Ba_1-хRE_x)₂Cu₃O_7-д (RE = La, Nd) з перовскитоподібною структурою за допомогою рентгенівської дифракції в інтервалі температур 20 - 300 К. Автором виявлені особливості поводження коефіцієнта лінійного теплового розширення в області температур нижче 150 К.

Написання наукових статей [1-7], підготовка доповідей і тез [8-14] виконані автором особисто або при його особистій участі. Результати досліджень виносяться на захист уперше.

Здобуті в дисертації результати, висновки та положення достовірні і обґрунтовані, оскільки вони базуються на добре апробованих методах експерименту фізики твердого тіла та добре узгоджуються з існуючими фізичними уявленнями про досліджувані процеси.

Публікації. Основні результати представлені в дисертації, опубліковані в 6 наукових статтях у реферуемих вітчизняних та закордонному журналах [1-6], а також в 1 збірнику наукових праць, присвяченому дослідженням при низьких температурах [7] та в 7 матеріалах (тезах) наукових конференцій [8-14].

Структура дисертаційної роботи: дисертація складається зі списку скорочень і використовуваних позначень, вступу, п'яти розділів основного тексту з 28 рисунками та 10 таблицями, висновків і списку цитованих джерел, що містить 155 найменувань. Дисертацію викладено на 104 сторінках, список цитованих джерел міститься на 17 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі подано загальну характеристику роботи, обґрунтовано актуальність проблеми, сформульовані мета і основні задачі досліджень, висвітлено наукову новизну здобутих результатів. Крім цього охарактеризовано особистий внесок здобувача, а також приведені дані про апробацію і публікацію матеріалів досліджень та структуру дисертації. У вступі відзначено зв'язок роботи з науковими програмами та темами.

Перший розділ “Теплове розширення перовскитоподібних систем”, що носить оглядовий характер, присвячено опису теоретичних і експериментальних аспектів дослідження теплового розширення перовскитоподібних систем. Особлива увага приділена систематизації даних по тепловому розширенню перовскитоподібних структур та зіставленню закономірностей, що спостерігалися, на підставі розвинених уявлень про теплове розширення гетерофазних надпровідних систем. Так само приведені данні про деякі експериментальні дослідження теплового розширення в оксидних ВТНП і манганітах. Наприкінці розділу на основі наведеного аналізу сформульовані коло завдань і мотивація роботи.

Другий розділ “Методика експерименту” присвячено опису використаних методів експериментального дослідження, проведеного з метою всебічного вивчення анізотропії КТР від температури та від величини магнітного поля перовскитоподібних сполук Eu(Ba_1-xRE_x)₂Cu₃O_7-д (RE=Nd, La), Nd_1-xCa_xMnO₃ (0.08?x?0.12), Nd_0.5Sr_0.5MnO₃. Дослідження анізотропії КТР на порошкових зразках проводилися за допомогою низькотемпературної рентгенівської і нейтронної дифрактометрії.

Надпровідні сполуки Eu(Ba_1-xRE_x)₂Cu₃O_7-д (RE = Nd, La) були отримані шляхом синтезу сухих оксидів рідкоземельних металів, карбонату барію і оксиду міді. Полікристалічні зразки сполуки Nd_1-xCa_xMnO₃ (0.08?x?0.12) готувались стандартним методом твердотільної реакції з використанням відбудовчих реагентів Nd₂O₃, CaCO₃ і MnO₂, змішаних у стехіометричному катіонному співвідношенні. Всі зразки були атестовані при температурі Т = 300 К за допомогою рентгендифракційного аналізу. Параметри елементарної решітки та позиції атомів були розраховані програмно, використовуючи метод Рітвельда. Також за допомогою рентгендифракційного аналізу контролювався факт заміщення домішками (Nd, La) саме позицій Ba.

Для проведення низькотемпературного експерименту використовувався дифрактометр ДРОН-2.0, на який встановлювався малогабаритний кріостат проточного типу оригінальної конструкції, призначений для дослідження рентгенівських спектрів переважно порошкових матеріалів в інтервалі температур від 4.2 До до 300 К (рис. 1). Нами використовувалася зйомка за схемою Брега-Брентано, а також -сканування, коли навколо головної осі гоніометра обертається тільки зразок, а лічильник залишається нерухливим і встановлюється під заданим подвійним кутом дифракції щодо напрямку первинного пучка.

Дистанційний контроль температури здійснювався за допомогою платинового термометра опору, встановленого на мідному держаку зразка. Одержання і стабілізація температури здійснювалися за схемою з контрольованою швидкістю прокачування кріогенту.

Для обробки отриманих рентгенограм було розроблено спеціальну програму, у якій використана модифікація класичних методів, розрахована на використання сучасних ПЭВМ. У даній роботі можливість такої модифікації показується на прикладі різницевого методу Ліпсона. У розробленій програмі для ПЭВМ, що реалізує описаний алгоритм, передбачена можливість візуалізації результатів індиціровання рентгенограм (штрих - діаграма) і розрахунку координат атомів (схема елементарної решітки).

Нейтронографічні дослідження в даній роботі проводилися на порошковому дифрактометрі E9 (FIREPOD) в Berlin Neutron Scattering Center - BENSC, Hahn-Meitner-Institut Berlin. Обробка нейтронографічних даних здійснювалася за допомогою програмного комплексу FullProf.

Третій розділ має назву “Рентгенівські дослідження манганіту Nd_0,5Sr_0,5MnO₃ з перовскитоподібною структурою в області спонтанного фазового переходу феромагнітний метал - антиферомагнітний ізолятор”. Даний розділ присвячений дослідженню манганіту Nd_0,5Sr_0,5MnО₃ з перовскитоподібною структурою в області спонтанного фазового переходу феромагнітний метал - антиферомагнітний ізолятор.

За допомогою рентгенівської діфрактометрії вивчена кристалічна структура манганіту Nd_0,5Sr_0,5MnО₃ при температурах Т = 300 К и Т = 77,3 К. В орторомбічної фазі кристалічна структура манганіту Nd_0,5Sr_0,5MnО₃ належить просторовій групі Imma. Елементарна комірка в орторомбічної фазі має наступні параметри: а = 5,4302 Е, b = 7,6177 Е і с = 5,4860 Е. Показано, що фазовий перехід з феромагнітного металевого в антиферомагнітний діелектричний стан із зарядовим упорядкуванням, спостережуваний при Т ? 158 К, супроводжується зниженням кристалічної симетрії з ромбічної до моноклінної (рис. 2). Кристалічна структура манганіту в цьому стані описується просторовою групою симетрії Р2₁/m. Елементарна решітка має наступні параметри: а = 5,4851 Е, b = 7,5223 Е, с = 5,5186 Е і кут в = 89,455°.

Показано, що при переході з орторомбічної у моноклінну фазу відбувається двійниковання кристала та утворення двійникової доменної структури з когерентними границями в кристалографічних площинах (00l). Для виявлення двійників було проведено щ-сканування монокристалічного зразка щодо площин (200). Дослідження проводилися при кімнатній (Т = 300 К) при низкою (Т = 77,3 К) температурах, тобто для ромбічної й моноклінної фаз, відповідно. Профілі інтерференційних ліній, отримані за допомогою щ-сканування для кімнатної (2И = 33,04)° і низкої (2И = 32,65)° температур для площин (200), показані на рис. 2. З наведених на малюнку залежностей видно, що при низькій температурі з'являється додаткове відбиття, що відповідає появі двійникової доменної структури.

У четвертому розділі “Дослідження теплового розширення в слабодопованом манганіті Nd_0,88Ca_0,12MnO₃” наведено результати структурних досліджень слабодопованих манганітів з перовскитоподібною структурою серії Nd_1-xCa_xMnO₃ (х ? 0,15).

Для всіх зразків серії Nd_1-xCa_xMnO₃ (х = 0; 0,06; 0,08; 0,12; 0,15) проведені рентгендифракційні дослідження при кімнатній температурі (Т = 300 К) та отримані залежності параметрів елементарної решітки від концентрації кальцію х. Об'єм елементарної решітки зменшується при зростанні концентрації кальцію х у сполуці Nd_1-xCa_xMnO₃ (рис. 3). Дане зменшення об'єму може бути пов'язане з переходом частини іонів марганцю зі стану з валентністю Mn³⁺ у стан з валентністю Mn⁴⁺. Ефективний іонний радіус іонів Mn³⁺ і Mn⁴⁺ в октаэдрічному кисневому оточенні становить 0,645 і 0,530 Е відповідно. Всі зразки серії мають відношення параметрів елементарної решітки

що відповідає так званої Оґ-орторомбічної структурі.

Для сполуки Nd_0,88Ca_0,12MnO₃ проведені дослідження температурної залежності параметрів і об'єму елементарної решітки, а також визначені деякі важливі міжатомні відстані та кути. Температурна залежність параметрів елементарної решітки вивчалася за допомогою нейтронної дифракції, всі дифракційні відбиття можуть бути проіндексовані, використовуючи просторову групу Pnma. Температурна залежність параметрів і об'єму елементарної решітки представлені на рисунку 4.

Показано, що в інтервалі температур 3,5 К ? Т ? 130 К спостерігається збільшення параметра елементарної решітки с, у той час, як на цьому ж інтервалі температур, параметри a і b зменшуються.

П'ятий розділ " Анізотропія температурних залежностей параметрів решітки сполук Eu₁(Ba_1-хRE_x)₂Cu₃O_7-д" присвячено цілеспрямованому дослідженню анізотропного термічного стиску та супутніх особливостей температурних залежностей коефіцієнта лінійного теплового розширення (КЛТР) на сполуках Eu₁(Ba_1-хRE_x)₂Cu₃O_7-д (RE = La, Nd) з перовскитоподібною структурою за допомогою рентгенівської дифракції в інтервалі температур 20 - 300 К. Виявлено особливості поводження коефіцієнта лінійного теплового розширення в області температур нижче 150 К.

Нами були вивчені ВТНП сполуки системи Eu₁(Ba_1-хRE_x)₂Cu₃O_7-д (RE = La, Nd), з різним рівнем допування (концентрації домішки). Структурно дані сполуки можна описати періодично повторюваними шарами Eu, CuO₂, Ba і CuO_1-д . Атестація зразків показала, що процедура приготування дозволяє з великою точністю вводити домішки La і Nd саме на позиції Ва. Дослідження зразків за допомогою дифракції нейтронів вище й нижче T_c, включаючи виміри у магнітному полі до 4 Тл, виконувалися разом з рентген-дифракційними дослідженнями. Рентгенівські спектри I(И) були отримані за допомогою рентгенівського дифрактометра загального призначення ДРОН-2.0, обладнаного низькотемпературним проточним кріостатом. Використовувалася схема фокусування по Брегу-Брентано (схема И - 2И). Застосовувалася рентгенівська трубка з мідним анодом (л_Cukб = 1.54178 ?). перовскитоподібний анізотропія низькотемпературний тепловий

Просторові групи симетрії і фактори розбіжності при обробці були наступні:

· Eu₁Ba₂Cu₃O_7-д: Pnma, R_p = 4.2%, R_wp = 5.4%, R_B = 6.2% ;

· Eu₁(Ba_0.85La_0.15)₂Cu₃O_7-д: P4/mmm, R_p = 4.6%, R_wp = 5.6%, R_B = 6.4% ;

· Eu₁(Ba_1-хNd_x)₂Cu₃O_7-д: Pnma, R_p = 4.4%, R_wp = 5.6%, R_B = 6.2% .

Помилка у визначенні параметра решітки становила 5х10^-4 ?, стабільність підтримки температури - не нижче ± 0,1 К. Температура Дебая основної сполуки Eu₁Ba₂Cu₃O_7-д становить 327 К при 250 К.

Результати вимірів температурних залежностей параметрів і об'єму елементарної решітки для сполуки Eu₁Ba₂Cu₃O_7-д представлені на рис. 5, для сполуки Eu₁(Ba_0.85La_0.15)₂Cu₃O_7-д на рис. 6, а для сполуки Eu₁(Ba_1-хNd_x)₂Cu₃O_7-д на рис. 7. Аналіз даних був зосереджений в інтервалі температур нижче 150 К, де можливий строгий мікроскопічний аналіз у рамках квазігармонійного наближення.

Виміри виявляють збільшення параметра решітки c зі зниженням температури, а також немонотонності температурних залежностей всіх параметрів решітки і об'єму елементарної решітки. Це, природно, приводить до особливостей на температурних залежностях коефіцієнтів теплового розширення. З огляду на багатошарову кристалічну структуру досліджуваної сполуки з параметром решітки с значно більше характерного радіуса міжатомної взаємодії, анізотропія відповідних фізичних властивостей визначається локальною анізотропією в окремо взятих шарах або ланцюжках, а не макроскопічною (пружною) анізотропією. У цьому випадку незастосовні розгляди аналогічні “пуассонову стиску”, що використовують за замовчуванням довгохвильові апроксимації фононного спектра, тобто без врахування дискретності решітки. Коректний опис можливо тільки в рамках послідовного мікроскопічного розгляду.

У шаруватих або ланцюжкових кристалах із сильною анізотропією міжатомної взаємодії та пружних властивостей амплітуди коливань атомів уздовж напрямків слабкого зв'язку (перпендикулярно до шарів або ланцюжків) значно вище, ніж у напрямках сильного зв'язку. Зсув атома уздовж напрямку слабкого зв'язку приводить до збільшення відстані між атомами усередині шару (або ланцюжка) на величину l, пропорційну квадрату цього зсуву. У шарі виникає стискаюча сила l, що і є причиною негативного КЛТР уздовж напрямку сильного зв'язку. Запропонований механізм у чомусь аналогічний добре відомому в теорії пружності “пуассонову стиску”, тобто обумовленому розтяганням зразка уздовж якого-небудь напрямку і стиску його в напрямках, перпендикулярних до напрямку розтягання. Однак механізм, який ми використовуємо, містить у собі всі коливання решітки, а не тільки довгохвильові, які можуть бути описані в рамках теорії пружності.

Просте узагальнення результатів для “локально анізотропного” багатошарового кристала дозволяє описати температурну залежність КЛТР уздовж напрямку “локального” сильного зв'язку простим вираженням:

, (1)

де індекс l нумерує атомні шари, індекс i - кристалографічні напрямки (i=a, b, c) а функції є відношеннями похідної по температурі від середньоквадратичних зсувів атомів шару l у напрямках, перпендикулярних до напрямку i до величини

На рис. 8 представлені температурні залежності величин для різних шарів і напрямків, а також розрахованих по нашим експериментальним даним КЛТР для різних кристалографічних напрямків.

Температури максимумів і мінімумів на кривих добре корелюють між собою. Це безумовно свідчить про чисто решіточну природу явища. Більш, ніж задовільний збіг цих екстремумів з максимумами на температурних залежностях дозволяє зробити висновок про те, що мінімум на кривій (і відповідно - максимуми на й ) при 25K T 40K обумовлені високими амплітудами коливань атомів Eu уздовж кристалографічних напрямків a і b, що приводить до стиску уздовж осі c міжшарових проміжків Cu₂O Eu Cu₂O. При 50 K T 70 K відбувається стиск шарів BaO, причиною якого є сильна локальна анізотропія взаємодії атомів Ba, амплітуда коливань яких уздовж осі c істотно вище, ніж у базисній площині. На температурному інтервалі 120 K T 150 K стискуються уздовж осі c міжшарови проміжки BaO CuO BaO.

Ще більш швидке, лінійне по температурі, зменшення параметра c, що спостерігається при температурах, більш 200 K, не може бути пояснене в рамках запропонованої моделі, оскільки в даному температурному діапазоні гармонійна динаміка кристалічної решітки стає непридатною. Відзначимо, що з експериментальних кривих випливає, що при T~ 180 K величина КЛТР досить невелика (уздовж напрямків b і c вона практично звертається в нуль), що свідчить на користь незалежності механізмів негативного теплового розширення при температурах вище 200 K і в розглянутому нами температурному інтервалі T ? 140 K.

Хотілося б звернути увагу, що отримані на ВТНП результати повністю аналогічні з результатами, отриманими на NdCaMnO.

Висновки

Основні результати роботи можна сформулювати таким чином:

1. проведено огляд результатів експериментальних та теоретичних досліджень термічного розширення сполук із перовскітоподібною структурою типу високотемпературних надпровідників, механізмів анізотропії теплового розширення та їхніх зв?язків із особливостями фізичних характеристик досліджених матеріалів поблизу низькотемпературних фазових перетворень;

2. вперше методами низькотемпературної рентгенівської та нейтронної дифрактометрії здійснено цілеспрямоване систематичне дослідження анізотропії температурних залежностей параметрів решітки та лінійних коефіцієнтів теплового розширення великого обсягу багатошарових сполук систем EuBaCuO, NdCaMnO, NdSrMnO з перовскітоподібною структурою в інтервалі температур 5-300К;

3. виявлено негативне теплове розширення досліджених сполук вздовж осі четвертого порядку за температур нижче 150К та кореляція максимумів та мінімумів температурних залежностей теплового розширення вздовж різних осей кристалу;

4. вперше проведено мікроскопічний аналіз виявлених температурних залежностей термічного розширення досліджених матеріалів. Показано, що спостережений ефект анізотропного негативного розширення може бути розглянуто як цілком граткове явище та пояснено в межах квазі гармонічної динаміки кристалевої гратки;

5. вперше у квазігармонічному наближенні показано, що зріст параметра решітки с у сполуках системи Eu₁(Ba_1-xRE_x)Cu₃O_7-д (RE = La, Nd) при температурах нижчих за 150 К пов?язано з особливостями фононних спектрів цих сполук, що обумовлені великою анізотропією міжатомних взаємодій у шарах Eu та BaO, а також ланцюжках CuO_1-д;

6. експериментально доведено, що симетрія кришталевої гратки сполуки Nd_0.5Sr_0.5MnO₃ знижується при переході у низкотемпературний зарядово і антиферромагнітно впорядкований стан з орторомбічної у моноклинну;

7. виявлено, що при переході з орторомбічної в моноклинну фазу здійснюється двійникування кристалу Nd_0.5Sr_0.5MnO₃ та виникнення двійникової доменної структури з когерентними границями у кристалевих площинах (00l).

Публікації здобувача за темою дисертації

1. Eremenko V., Gnatchenko S., Makedonska N., Shabakayeva Yu., Shvedun M., Sirenko V., Fink-Finowicki J., Kamenev K.V., Balakrishnan G., McK Paul D. X-ray study of Nd_0,5Sr_0,5MnO₃ manganite structure above and below the ferromagnetic metal - antiferromagnetic insulator spontaneous phase transition // ФНТ. - 2001. - Т.27. - С.1258-1260.

2. Shklyarcvskiy I.O., Shvedun M.Yu., Gnatchenko S.L., van Bentum P.J.M., Christianen P.C.M., Maan J. C., Kamenev K.V., Balakrishnan G., McK Paul D., Fink-Finowicki J. Domain structure of the antiferromagnetic insulating state in Nd_0.5Sr_0.5MnO₃ // ФНТ. - 2001. - Т. 27. - С. 1250-1257.

3. Troyanchuk I.O., Mantytskaja O.S., Szymczak H., Shvedun M.Yu. Magnetic phase transitions in the system La_1-xBi_xMnO_3+л // ФНТ. - 2002. - Т.28. - P.790-795.

4. Troyanchuk I.O., Khomchenko V.A., Chobot G.M., Kurbakov A.I., Vasil'ev A.N., Eremenko V.V., Sirenko V.A., Shvedun M.Yu., Szymczak H., Szymczak R. Spin-reorientational transitions in low-doped Nd_1-xCa_xMnO₃ manganites // J. Phys.: Condens. Matter. - 2003. - Vol.15. - P.8865-8880.

5. Eremenko V.V., Feodosyev S.B., Gospodarev I.A., Sirenko V.A., Shvedun M.Yu., McCallum W., Tovar M. Negative thermal expansion of HTSC-type structures: low temperature structure measurements on Eu_1+x(Ba_1-yR_y)_2-xCu₃O_7-d compounds and theoretical treatment // ФНТ. - 2005. - Т.31. - С.350-355.

6. Еременко В.В., Господарев И.А., Ибулаев В.В., Сиренко В.А., Феодосьев С.Б., Шведун М.Ю. Анизотропия температурных зависимостей параметров решетки EuBaCuO в квазигармоническом пределе // ФНТ. - 2006. - Т.32. - С.1560-1565.

7. Eremenko V., Feodosyev S., Gospodarev I., Ibulaev V., McCallum R., Shvedun M., Sirenko V. Negative Expansion of Eu(Ba_1-xLa_x)₂Cu₃O_7-d compounds // in the Proceedings of 24-th International Conference on Low Temperature Physics (LT24 (Orlando, USA, 2005) (Volume 850 of the AIP Conf. Proc. Ser., 2 pages)).

8. Eremenko V.V., Sirenko V.A., Shvedun M.Yu., McCallum R.W. Magnetostriction of Eu_1+x(Ba_1-yR_y)_2-xCu₃O_7-d at superconducting transition // The European Conference “Physics of Magnetism”. - 2002. - Poznan (Poland). - P.186.

9. Eremenko V.V., Shvedun M.Yu. X-Ray study of Nd_1-xA_xMnO₃ (A=Sr, Ca) manganite structure above and below the ferromagnetic metal - antiferromagnetic insulator spontaneous phase transition // 12-th General Conference of the European Physical Society “Trends in Physics”. - 2002. - Budapest (Hungary). - P.249.

10. Shvedun M.Yu. // Всеукраїнська конференція cтудентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики ЕВРІКА-2003. - 2003. - Львів, Україна. - C.84.

11. Еременко В.В., Сиренко В.А., Шведун М.Ю., Шабакаева Ю.А. Магнитострикция Eu_1+x(Ba_1?yR_y)_2?xCu₃O_7?d при сверхпроводящем переходе // Всеукраїнська конференція молодих вчених та науковців “Сучасні питання матеріалознавства”. - 2003. - Харків (Україна). - C.14.

12. Eremenko V.V., Sirenko V.A., Shvedun M.Yu. Low Temperature Structural Study of Eu_1+x(Ba_1?yR_y)_2?xCu₃O_7?d Compounds // The 20th General Conference of the Condensed Matter Division. - 2004. - Prague, Chech Republic. - P.194.

13. Eremenko V.V., Sirenko V.A., Shvedun M.Yu., Tovar M., McCallum W. Criogenic structural study of magnetostrictive compounds Eu_1+x(Ba_1-yR_y)_2-xCu₃O_7-d //NATO Advanced Workshop “Smart materials for ranging systems”. - 2004. - Krasnoyarsk, Russia. - P.126.

14. В.В.Еременко, И.А.Господарев, В.В.Ибулаев, В.А.Сиренко, С.Б.Феодосьев, М.Ю.Шведун, Особенности теплового расширения высокотемператрных сверхпроводников Eu(Ba_1-xLa_x)₂Cu₃O_7- при низких температурах // XXXIV Совещание по физике низких температур. - 2006. - Ростов-на-Дону (Россия). - C.86.

Анотації

Шведун М.Ю. Структурні дослідження перовскитоподібних систем в області низькотемпературних фазових переходів.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - Фізика твердого тіла. На правах рукопису. Фізико-технічній інститут низьких температур ім. Б. І. Вєркіна НАН України, Харків, 2007.

Проведено дослідження температурних залежностей параметрів елементарної решітки сполук (Ba_1-xRE_x)₂Cu₃O_7-д (RE=Nd, La), Nd_1-xCa_xMnO₃ (0.08?x?0.12) з перовскитоподібною структурою за допомогою рентгенівської та нейтронної дифракції в інтервалі температур 20 - 300 К. Виявлено ефект негативного термічного розширення в анізотропних перовскитоподібних сполуках серії Eu₁(Ba_1-хRE_x)₂Cu₃O_7-д (RE = La, Nd) і в сполуці Nd_0,88Ca_0,12MnO₃ при зниженні температури. Показано, що причиною негативних значень коефіцієнта лінійного термічного розширення є особливості фононного спектра, обумовлені сильною анізотропією міжатомної взаємодії в шарах Eu і BaO, а також ланцюжках CuO_1-д.

Також проведено дослідження сполуки Nd_0,5Sr_0,5MnO₃ вище та нижче температури низькотемпературного фазового переходу та встановлено, що при переході з орторомбічної у моноклінну фазу відбувається двійникування кристалу Nd_0,5Sr_0,5MnO₃ і утворення двійникової доменної структури з когерентними границями в кристалографічних площинах (00l);

Ключові слова: високотемпературний надпровідник, коефіцієнт лінійного теплового розширення, перовскитоподібна структура, негативне термічне розширення, рентгенівська та нейтронна дифракція, низькотемпературний фазовий перехід.

Шведун М.Ю. Структурные исследования перовскитоподобных систем в области низкотемпературных фазовых переходов.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - Физика твердого тела. На правах рукописи. Физико-технический институт низких температур им. Б. И. Веркина НАН Украины, Харьков, 2007.

Проведено целенаправленное исследование анизотропного термического сжатия и сопутствующих особенностей температурных зависимостей коэффициента линейного теплового расширения на соединениях (Ba_1-xRE_x)₂Cu₃O_7-д (RE=Nd, La), Nd_1-xCa_xMnO₃ (0.08?x?0.12), Nd_0.5Sr_0.5MnO₃ с перовскитоподобной структурой при помощи рентгеновской и нейтронной дифракции в интервале температур 20 - 300К. Обнаружен эффект отрицательного термического расширения в анизотропных перовскитоподобных соединениях серии Eu₁(Ba_1-хRE_x)₂Cu₃O_7-д (RE = La, Nd) и в соединении Nd_0,88Ca_0,12MnO₃ при понижении температуры. На микроскопическом уровне проведен расчет отношений производных от среднеквадратичных смещений позволяющий утверждать, что наблюдаемый эффект отрицательного термического расширения в перовскитоподобных структурах может быть интерпретирован как чисто решеточное явление и объяснен в рамках квазигармонической динамики кристаллической решетки. Показано, что причиной отрицательных значений коэффициента линейного термического расширения являются особенности фононного спектра, обусловленные сильной анизотропией межатомного взаимодействия в слоях Eu и BaO, а также цепочках CuO_1-д. Данная анизотропия не сохраняется в дальнем порядке и не соответствует анизотропии упругих свойств данного соединения.

Также проведено исследование соединения Nd_0,5Sr_0,5MnO₃ выше и ниже температуры низкотемпературного фазового перехода (из ферромагнитного металлического в антиферромагнитное диэлектрическое состояние с зарядовым упорядочением) и обнаружено, что симметрия кристалла при данном переходе понижается из орторомбической (Imma) в моноклинную (Р2₁/m). Установлено, что при переходе из орторомбической в моноклинную фазу происходит двойникование кристалла Nd_0,5Sr_0,5MnO₃ и образование двойниковой доменной структуры с когерентными границами в кристаллографических плоскостях (00l).

Ключевые слова: высокотемпературный сверхпроводник, коэффициент линейного теплового расширения, перовскитоподобная структура, отрицательное термическое расширение, рентгеновская и нейтронная дифракция, низкотемпературный фазовый переход.

Shvedun M.Yu. Manuscript.

Thesis for а candidate's degree in physics and mathematics, speciality 01.04.07 - Condensed Matter Physics. By right of a manuscript, B.I. Verkin Institute for Low Temperature Physics and Engineering NAS Ukraine, Kharkov, 2007.

The lattice parameters variation with temperature was studied on the compounds Eu(Ba_1-xRE_x)₂Cu₃O_7-д (RE=Nd, La), Nd_1-xCa_xMnO₃ (0.08?x?0.12) with a perovskite-like structure by means of x-ray and neutron diffraction in the temperature range 20 - 300 К. Effect of negative thermal expansion in anisotropic perovskite-like compounds of the series Eu₁(Ba_1-хRE_x)₂Cu₃O_7-д (RE = La, Nd) and in the compound Nd_0,88Ca_0,12MnO₃ was found out at temperatures below 150 K. It is shown, the peculiarities in linear thermal expansion coefficient are related with the phonon-spectrum features, caused by strong anisotropy of interatomic interaction in layers Eu and BaO, and also in chains of CuO_1-д.

Also a research of compound Nd_0,5Sr_0,5MnO₃ was carried out above and below the critical temperature of the low-temperature phase transition and it was revealed, that at transition from orthorhombic to monoclinic phase a crystal twinning occurs and twinned domain structure with coherent twin boundaries in crystallographic planes (00l) appears.

Key words: high-temperature superconductor, linear thermal expansion coefficient, perovskite-like structure, negative thermal expansion, x-ray and neutron diffraction, low-temperature phase transition.

Размещено на Allbest.ru