Наиболее значимые результаты исследований лаборатории радиоспектроскопии и спиновой электроники

Сложный магнитный порядок в мультиферроике Nd(Tb)Fe3(BO3)4

Авторы: И.А. Гудим, Л.Н. Безматерных 

 

 

Раствор расплавным методом синтезированы монокристаллы оксиборатов со структурой хантита Nd0.9Tb0.1Fe3(BO3)4 и Nd0.8Tb0.2Fe3(BO3)4. С помощью монокристаллической дифракции нейтронов определена их магнитная структура. Показано, что небольшая замена ионов Nd3+ на ионы Tb3+ приводит к переориентации вектора антиферромагнетизма L из базисной плоскости в направлении гексагональной оси. Показано, что переориентация происходит через угловую фазу, в которой вектор L не совпадает с основными кристаллографическими направлениями и эволюционирует с температурой благодаря конкуренции магнитных анизотропий подсистем Fe, Nd и Tb.

rse_1_2021.jpg

Модели магнитных структур (конфигураций), допускаемых симметрией. Желтые, синие и пурпурные стрелки соответствуют ионам Fe3+, Nd3+ и Tb3+. (a) структура типа «легкая ось», магнитные моменты ионов Nd3+ и Tb3+ направлены вдоль оси c и неразличимы (показаны одной стрелкой). (b) «угловая»структура с вектором L, лежащим в плоскости yz (в ортогональной системе). (с) Коллинеарная структура. Атомы железа показаны только в базисной плоскости. Ось x в ортогональной системе совпадает с осью a в гексагональной системе.

V. Golosovsky, A. I. Vasilev, A. A. Mukhin, E. Ressouche, V. Skumryev, I. Urcelay-Olabarria, I. A. Gudim and L. N. Bezmaternykh. Complex magnetic order in the Nd(Tb)Fe3(BO3)4 multiferroic revealed by single-crystal neutron diffraction //
Physical Review B. – 2019. – V. 99. – P. 134439.

 

Магнито-фото-вольтаический эффект в гибридных структурах ферромагнетик/полупроводник

Авторы: Н.В. Волков, М.В. Рауцкий, И.А. Бондарев, А.С. Тарасов, А.В. Лукьяненко

 

Выполнены исследования латерального и поперечного фотовольтаических эффектов в гибридных структурах Fe3Si/Si. Обнаружено, что длина волны оптического излучения не только влияет на вид температурной зависимости поперечного фотонапряжения, но и на характер влияния внешнего магнитного поля (рисунок 1а). Подавление фотонапряжения внешним магнитным полем ниже 15К носит различный характер для разных длин волн оптического излучения. Такое поведение не может быть сведено к влиянию силы Лоренса на фотоиндуцированные носители заряда.

Исследовано влияние мощности оптического излучения на поперечное фотонапряжение. Обнаружено, что при температуре около 20К фотонапряжение резко возрастает с увеличением мощности и при 10 мВт/см2 уже превышает 0.5 В (рисунок 1б).  В дальнейшем фотонапряжение незначительно увеличивается, достигая насыщения при 10 мВт/см2. При этом значение составляет рекордные 0.54 В, что очень близко к максимально возможной величине фотонапряжения для диода Шоттки на основе кремния.

rse_2_2021.jpg

Рисунок 1. а) Температурная зависимость поперечного фотонапряжения на контактах 1-2 для гибридной структуры Fe3Si/Si в нулевом магнитном поле и в поле 6 кЭ для трех длин волн (668 нм, 809нм и 975нм). Мощность оптического излучения 1мВт/см2. б) Температурная зависимость поперечного фотонапряжения на контактах 1-2 для гибридной структуры Fe3Si/Si в нулевом магнитном поле. Мощность оптического излучения 10мВт/см2, длинна волны 809нм. (на вставке) Зависимость поперечного фотонапряжения от мощности оптического излучения.

V. Volkov, M. V. Rautskii, A. S. Tarasov, I. A. Yakovlev, I. A. Bondarev, A. V. Lukyanenko, S. N. Varnakov, S. G. Ovchinnikov,
Magnetic field-driven lateral photovoltaic effect in the Fe/SiO 2 /p-Si hybrid structure with the Schottky barrier //
Physica E. – 2018. – V. 101. – P. 201–207.

 

 

Метод изготовления планарных многотерминальных устройств
на основе эпитаксиальных гибридных структур Fe1−xSix /Si для
спинтроники, фотоники и оптоэлектроники

 

Авторы: А.С. Тарасов, А.В. Лукъяненко, И.А. Тарасов, И.А. Бондарев, Т.Е. Смолярова, Н.Н. Косырев, И.А. Яковлев, М.Н. Волочаев, С.Н. Варнаков, С.Г. Овчинников, Г.С. Патрин, Н.В. Волков

Определены скорости травления эпитаксиальных пленок Fe1-xSix(111) в смеси плавиковой и азотной кислот (HF: HNO3: H2O = 1: 2: 400), что позволило изготовить многотерминальные планарные устройства на основе гибридных структур Fe1-xSix/Si. При помощи метода Ханле в устройствах Fe3Si/p-Si обнаружен эффект спиновой аккумуляции, что свидетельствует о спиновой экстракции дырок из p-Si в Fe3Si. Неравновесное время жизни спина в полупроводнике составляет 145 пс, 191 пс и 268 пс при температурах 300К, 200К и 120К, соответственно.

rse_3_2021.jpg

 

а) Оптическое изображение 3-ёх терминального устройства; б) Петли гистерезиса для каждого из терминалов; в) Схема измерений; г) Экспериментальные зависимости напряжения V от магнитного поля для трехтерминального устройства при температурах 300К, 200К и 120К (точки) и подгоночные кривые (линии).

S. Tarasov, A. V. Lukyanenko, I. A. Tarasov, I. A. Bondarev, T. E. Smolyarova, N. N. Kosyrev, V. A. Komarov, I. A. Yakovlev, M. N. Volochaev, L. A. Solovyov, A.A. Shemukhin, S. N. Varnakov, S. G. Ovchinnikov, G. S. Patrin and N. V. Volkov,
Approach to form planar structures based on epitaxial Fe1−xSix films grown on Si(111) //
Thin Solid Films. – 2017. – V. 642 – P. 20-24.

 

1. В последние несколько лет в лаборатории РСЭ активно развиваются исследования, связанные с поиском магнитоэлектрических мультиферроиков. В рамках этой тематики разработаны раствор-расплавные технологии выращивания высококачественных тригональных монокристаллов замещенных редкоземельных ферро- и алюмоборатов Re11-xRe2xFe3(BO3)4, Re11-xRe2xAl3(BO3)4 Предложены новые растворы-расплавы на основе тримолибдата висмута для выращивании монокристаллов редкоземельных ферроборатов со структурой хантита. По разработанным методикам выращены высококачественные монокристаллы, с использованием которых выполнен ряд приоритетных исследований по изучению магнитного и электрического упорядочения [1-2].

rse12.jpg Ris13.jpg
Кристаллы SmFe3(BO3)4 Кристаллы TmAl3(BO3)4.

2. В монокристаллах NdFe3(BO3)4 обнаружено существование длиннопериодической геликоидальной структуры при температурах от 5 до 13,5К [3,4].

3. В редкоземельных ферроборатах RFe3(BO3)4 (R = Y, Pr ÷ Er) при температурах ниже температуры антиферромагнитного упорядочения TN = 30 - 40 К, обнаружено возникновение спонтанной электрической поляризации [5-7].

4. К наиболее важным результатам исследования боратов RM3(BO3)4 стоит отнести недавнее обнаружение в алюмоборате HoAl3(BO3)4 гигантского магнитоэлектрического эффекта [8]. Рекордная для немагнитных соединений электрическая поляризация HoAl3(BO3)4 в поле 9 Тл достигает DPаb(Bb) ≈ 5400 мкКл/м2 при Т = 3 К [9].

rse1_17.jpg rse2_17.jpg
Рис.1 Температурно-полевые зависимости поперечной магнитоэлектрической поляризации для (a) HoAl3(BO3)4 и (b) HoGa3(BO3)4.

В сотрудничестве с Центром сверхпроводимости (Хьюстон, США) проведено комплексное изучение магнитных, магнитострикционных свойств и индуцированной внешним магнитным полем электрической поляризации легкоплоскостного парамагнетика TmAl3(BO3)4 [10]. Обнаружено, что его магнитоэлектрическая поляризация превышает поляризацию многих магнитоупорядоченных мультиферроиков, например Ni3V2O8 (Pmax = 170 μC/m2), CuCrO2 (Pmax = 120 μC/m2).

rse3_17.jpg rse4_17.jpg
Рис.2 (а) Продольная и (b) поперечная электрические поляризации тригонального TmAl3(BO3)4, индуцируемые внешним магнитным полем, направленным вдоль а-оси. Вставки демонстрируют квадратичную зависимость поляризации от поля.

Этот результат впервые указывает на серьёзный потенциал редкоземельных алюмоборатов как магнитоэлектрических мультиферроиков и одновременно важен для понимания микромеханизмов ферроэлектричества и магнитоэлектрической поляризации антиферромагнитных мультиферроиков RFe3(BO3)4.

Для кристаллов SmFe3(BO3)4 [11] и HoAl3(BO3)4[12] проведен теоретический анализ и создана модель, хорошо описывающая поведение магнитной системы алюмо- и ферроборатов.

5. Впервые экспериментально зафиксировано изменение намагниченности монокристалла SmFe3(BO3)4, вызванное приложением переменного электрического поля. Как показали измерения, намагниченность ос­циллирует не только с частотой прикладываемого электрического поля, но и с удвоенной частотой. Измерены зависимости магнитоэлектрического эффекта от магнитного и электрического полей и температуры [13].

rse7_17.jpg rse8_17.jpg
Рис.3 Зависимость ΔM’yx(Ex, Hy) (a) и ΔM’xx(Ex, Hx) (b) при T=4.2 K. Кружками обозначены экспериментальные данные, а треугольниками точки, полученные линейной аппроксимацией.

6. В замещенных монокристаллах Nd1-xDyxFe3(BO3)4 = (1-x) NdFe3(BO3)4 + x DyFe3(BO3)4 конкуренция анизотропий первой легкоплоскостной (перпендикулярной оси с) и второй легкоосной (║с) подсистем порождает новые фазовые состояния [14,15]. Для монокристалла Nd0,75Dy0,25Fe3(BO3)4 во внешнем поле Н║с границы фаз, выделенные по (Н-Т) аномалиям скорости и затухания акустических волн, показаны на рис.3. Прежде всего, отметим появление спонтанных (Н=0) переходов при Т1 = 16К и Т2 = 24К. Для обоих переходов характерна перестройка магнитной структуры, а в окрестности второго из них, связанного с переориентацией спинов Nd3+ и Fe3+ от оси с в плоскость, перпендикулярную оси с, возникает ферроэлектрическая фаза. С приложением поля вдоль с переходы, сдвигаясь в сторону более низких температур, сближаются. Малый скачок намагниченности (рис. 4b) соответствует переориентации спинов Nd3+ и Fe3+ от оси с к плоскости с, а больший – ферромагнитному выстраиванию спинов Dy3+ вдоль поля.

rse5_17.jpg rse6_17.jpg
Рис.4 Температурно-полевые зависимости намагниченности монокристалла Nd0,75Dy0,25Fe3(BO3)4 во внешнем поле Н║с.

7. В SmFe3(BO3)4 обнаружен гигантский магнитодиэлектрический эффект, связанный с возрастанием (более, чем в 3 раза) диэлектрической проницаемости при T<TN и ее подавлением до первоначального уровня парамагнитного состояния в магнитном поле ~ 5 кЭ в базисной плоскости [16]. Установлена тесная связь этого эффекта с аномалиями в полевой зависимости электриче­ской поляризации. Показано, что обнаруженный магнитодиэлектрический эффект обусловлен вкладом в ε электрической восприимчивости, связанной с вращением спинов в ab-плоскости, которая возникает в области антиферромагнитного упорядочения Т < TN = 33 К и подавляется магнитным полем.

rse9.jpg rse10.jpg
Рис.5 Температурные зависимости диэлектрической проницаемости ферробората SmFe3(BO3)4.

8. Одним из самых интересных и непредсказуемых эффектов в мультиферроиках оказалась анизотропия распространения света по отношению к направлению распространения. В таком случае отличается в зависимости от направления поглощение в материале, отличаются скорости света и двулучепреломление для различных направлений. В ферроборате самария-лантана обнаружена большая анизотропия направлений. Эффект наблюдается для линейной поляризации света в диапазоне миллиметровых волн, и он остается до низких частот. Дисперсию и поглощение в окресности электромагнонного резонанса можно регулировать изменением внешнего магнитного поля и даже полностью подавлять в одном направлении. Ферроборат самария-лантана показывает гигантскую оптическую активность при изменении геометрии внешнего магнитного поля, что делает этот материал универсальным инструментом для оптического контроля: с магнитным полем в качестве внешнего параметра она позволяет переключаться между двумя функционалами: вращения плоскости поляризации и направленности анизотропии [17].

rse11_17.jpg
Рис.6 Анизотропия двулучепреломления, дихроизма и преломления в Sm0.5La0.5Fe3(BО3)4. (а) Коэффициент преломления в Sm0.5La0.5Fe3(BО3)4 для прямого (синий) и обратного (красный) распространения миллиметровых волн, (б) анизотропия двулучепреломления, (с) коэффициента поглощения в Sm0.5La0.5Fe3(BО3)4 при прямом и обратном распространении волн, (d) Анизотропия дихроизма. Символы: кружки -эксперимент; сплошная линия проходит в соответствии с моделью.

Литература:

  1. L.N. Bezmaternykh, V.L. Temerov, I.A. Gudim and N.A. Stolbovaya, “Crystallization of Trigonal (Tb,Er)(Fe,Ga)3(BO3)4 Phases with Hantite Structure in Bismute Trimolibdate-Based Fluxes”, Crystallography Reports, v. 50, Suppl. 1, 2005, p. 97.
  2. Levitin R.Z., Popova E.A., Chtsherbov R.M., Vasiliev A.N., Popova M.N., Chukalina E.P., Klimin S.A., van Loosdrecht P.H.M., Fausti D., Bezmaternykh L.N., Cascade of phase transitions in GdFe3(BO3)4. Pis'ma v ZHETF. -2004. -v. 79, iss. 9, pp. 531-534.
  3. M. Janoschek, P. Fischer, J. Schefer, B. Roessli, and V. Pomjakushin, M. Meven, V. Petricek, G. Petrakovskii and L. Bezmaternikh, “Single magnetic chirality in the magnetoelectric NdFe3(11BO3)4”, PHYSICAL REVIEW B 81, (2010) 094429;
  4. Nelson, C.S , Bezmaternykh, L.N ; Gudim, I.A. Temperature- and magnetic-field-tuning of magnetic phases in multiferroic NdFe3(BO3)4 // JOURNAL OF THE KOREAN PHYSICAL SOCIETY. May 2013. V. 62. Is. 10 P.1410-1413 .
  5. А.М. Кадомцева1, Ю.Ф. Попов1, С.С. Кротов1, А.К. Звездин2, Г.П. Воробьев1, Л.Н. Безматерных3, Е.А. Попова1, «Исследование аномалий магнитоэлектрических и магнитоупругих свойств монокристаллов ферробората GdFe3(BO3)4 при фазовых переходах», Физика Низких Температур: Т. 31, Вып. 8-9 (2005), c. 1059-1067.
  6. Bezmaternykh L.N., Ovchinnikov S.G., Balaev A.D., Kharlamova S.A., Temerov V.L., Vasiliev A.D., Structural ordering and magnetism in trigonal gadolinium ferroborates, substituted by gallium. JMMM. – 2004. – v. 272-276, -suppl. 1, p. E359-E360.
  7. A.М. Кадомцева, Ю.Ф. Попов, Г.П. Воробьев, А.П. Пятаков, С.С. Кротов, К.И. Камилов, В.Ю. Иванов, А.А. Мухин, А.К. Звездин, А. М. Кузьменко, Л.Н.Безматерных, И.А. Гудим, В.Л. Темеров, "Магнитоэлектрические и магнитоупругие свойства редкоземельных ферроборатов", ФНТ, т.36, №6 (2010) 640-653.
  8. K.-C. Liang, R. P. Chaudhury, B. Lorenz, Y. Y. Sun, L. N. Bezmaternykh, V. L. Temerov and C. W. Chu, Giant magnetoelectric effect in HoAl3(BO3)4 // PHYSICAL REVIEW B 83. 2011. 180417(R)
  9. Irina A. Gudim, Evgeny V. Eremin, Maksim S. Molokeev, Vladislav L. Temerov, Nikita V. Volkov, Magnetoelectric Polarization of Paramagnetic HoAl3-XGaX(BO3)4 Single Crystals // Solid State Phenomena, 215(Trends in Magnetism: Nanomagnetism (EASTMAG-2013)) (2014) p.364
  10. R. P. Chaudhury, B. Lorenz, Y. Y. Sun, L. N. Bezmaternykh, V. L. Temerov, and C. W. Chu, “Magnetoelectricity and magnetostriction due to the rare-earth moment in TmAl3(BO3)4”, PHYSICAL REVIEW B 81, (2010), 220402
  11. Демидов А.А., Волков Д.В., Гудим И.А., Еремин Е.В., Темеров В.Л. Магнитные свойства редкоземельного ферробората SmFe3(BO3)4. ЖЭТФ, 2013 г., Том 143, Вып. 5, стр. 922.
  12. А. И. Бегунов, А. А. Демидов, И. А. Гудим+, Е. В. Еремин. Особенности магнитных и магнитоэлектрических свойств HoAl3(BO3)4. // Письма в ЖЭТФ, май 2013. том 97, вып.9, с.611–618
  13. L. Freydman, A. D. Balaev, A. A. Dubrovskiy, E. V. Eremin, V. L. Temerov, and I. A. Gudim, Direct and inverse magnetoelectric effects in HoAl3(BO3)4 single crystal // Journal of Applied Physics 115, 174103 (2014); doi: 10.1063/1.4874270
  14. А.Л. Фрейдман, А.Д. Балаев, А.А. Дубровский, Е.В. Еремин, К.А. Шайхутдинов, В.Л. Темеров, И.А. Гудим. Влияние электрического поля на намагниченность монокристалла SmFe3(BO3)4 // Физика твердого тела, 2015, том 57, вып. 7, с. 1334-1338.
  15. I.A. Gudim, E.V. Eremin, V.L. Temerov, “Flux growth and spin reorientation in trigonal Nd1-xDyxFe3(BO3)4 single crystals”, Journal of Crystal Growth 312 (2010) 2427–2430.
  16. G.A. Zvyagina, K.R, Zhekov, I.V. Bilych, A.A. Zvyagin, I.A. Gudim, V.L. Temerov, E.V. Eremin. Magnetoelastic studies of Nd0,75Dy0,25Fe3(BO3)4 in the external magnetic field: Magnetic phase transitions // ФНТ, 2013, т.39, № 11, 1202-1214.
  17. А.А. Мухин, Г.П. Воробьев, В.Ю. Иванов, А.М. Кадомцева, А.С. Нарижная, А.М. Кузьменко, Ю.Ф. Попов, Л.Н. Безматерных, И.А. Гудим, Гигантский магнитодиэлектрический эффект в мультиферроике SmFe3(BO3)4 // Письма ЖЭТФ. 2011. т. 93, в. 5, с. 305-311.
  18. A. M. Kuzmenko, V. Dziom, A. Shuvaev, Anna Pimenov, M. Schiebl, A. A. Mukhin, V. Yu. Ivanov, I. A. Gudim, L. N. Bezmaternykh, and A. Pimenov. Large directional optical anisotropy in multiferroic ferroborate. Phys. Rev. B 92, 184409 (2015).
  1. Активно развиваются исследования, связанные с поиском магнитоэлектрических мультиферроиков.
  2. В монокристаллах NdFe3(BO3)4 обнаружено существование длиннопериодической геликоидальной структуры при температурах от 5 до 13,5 К.
  3. В редкоземельных ферроборатах при температурах ниже температуры антиферромагнитного упорядочения TN = 30 - 40 К, обнаружено возникновение спонтанной электрической поляризации. В алюмоборате обнаружен гигантский магнитоэлектрический эффект.
  4. Обнаружено, что магнитоэлектрическая поляризация парамагнетика HoAl3(BO3)4 превышает поляризацию многих магнитоупорядоченных мультиферроиков.
  5. Впервые экспериментально зафиксировано изменение намагниченности монокристалла SmFe3(BO3)4, вызванное приложением переменного электрического поля.
  6. В SmFe3(BO3)4 обнаружен гигантский магнитодиэлектрический эффект, связанный с возрастанием (более, чем в 3 раза) диэлектрической проницаемости при T<TN и ее подавлением до первоначального уровня парамагнитного состояния в магнитном поле ~ 5 кЭ в базисной плоскости.
  7. В ферроборате самария-лантана обнаружена большая анизотропия распространения волн в разных направлениях.

Поделиться: