Spektroskopowe badania właściwości magnetycznych warstwowych związków RBa2Cu3O6+x i R2Cu2O5. Janusz Typek Instytut Fizyki

Transkrypt

1 Spektroskopowe badania właściwości magnetycznych warstwowych związków RBa2Cu3O6+x i R2Cu2O5 Janusz Typek Instytut Fizyki

2 Plan prezentacji Jakie materiały badałem? (Krótka prezentacja badanych materiałów) Jakimi metodami? (Stosowane metody badawcze) Co uzyskałem? (Rezultaty badań) Związki układu RBa2Cu3O6+x - wpływ pola krystalicznego na jony R3+ - magnetyczne właściwości związków w fazie nadprzewodzącej i normalnej - ERP kramersowskich jonów R3+ - ERP centrów paramagnetycznych Cu2+ Związki układu R2Cu2O5 - synteza, badania rentgenowskie i termograwimetryczne - EPR jonów Cu2+ Jakie wnioski wyciągnąłem? (Podsumowanie)

3 Badane materiały: RBa2Cu3O6+x

4 Badane materiały: R2Cu2O5

5 RBa2Cu3O6+x Cu2 Cu1

6 Prace dotyczące RBa2Cu3O6+x: ogólny schemat Znajomość poziomów energetycznych jonu R3+ wyznaczonych metodą rozpraszania neutronów (literatura) A Obliczenie parametrów pola krystalicznego, funkcji falowych i energii poziomów energetycznych jonu R3+ dla próbek o różnym deficycie tlenowym B Obliczenie ciepła właściwego CHα(T) jonów R3+ i porównanie z literaturowymi danymi doświadczalnymi C Obliczenie podatności magnetycznej χα(t) i namagnesowania Mα(H) oraz porównanie z danymi doświadczalnymi (własne i literaturowe) E D Obliczenie parametrów widma ERP jonów R3+ i ich porównanie z danymi doświadczalnymi (własnymi) Analizowanie widma ERP miedzi i kompleksów miedziowych

7 Prace dotyczące RBa2Cu3O6+x: etap A Er123 I13/ mev 4 I15/2 80 mev Er3+ Parametry pola krystalicznego Bk znane z pomiarów neutronowych q (Yb123, Er123, Dy123, Nd123, Ho123) Obliczono energie i funkcje falowe rozszczepionego polem krystalicznym termu podstawowego Niekompletny zestaw parametrów Bkq (Tm123) CF Nie było pomiarów rozpraszania neutronów (Sm123, Eu123) Procedurą skalowania otrzymano pełny komplet parametrów

8 Prace dotyczące RBa2Cu3O6+x: etap A

9 Prace dotyczące RBa2Cu3O6+x: etap B Yb3+ w YbBa2Cu3O6+x

10 Prace dotyczące RBa2Cu3O6+x: etap C 0,4 c 0,1 100 M (ì B ) 0,2-1 (m o l e/em u ) (em u /m o l e) b 2,0 1,5 1,5 (â) 150 0,3 a 2,0 50 M p (ì B ) (á) 1,0 0,5 M a M b M c 1,0 0,5 (á) 0, T (K ) , T (K ) Yb H (T ) (â) 0, H (T ) 20 25

11 Prace dotyczące RBa2Cu3O6+x: etap D Jony kramersowskie nieparzysta ilość elektronów f Spin efektywny S =1/2 hν Bez pola magnetycznego Z polem magnetycznym Hamiltonian zeemanowski Wartości główne tensora gi Położenie linii rezonansowej ERP w polu magnetycznym

12 Prace dotyczące RBa2Cu3O6+x: etap D Oddziaływanie wymienne Oddziaływanie nadsubtelne spinów jądrowych i spinu efektywnego Magnetyczne oddziaływanie dipol-dipol Do obliczenia szerokości linii ERP stosowano metodę momentów linii VanVleck (1932) Szerokość i kształt linii rezonansowej ERP

13 Prace dotyczące RBa2Cu3O6+x: etap D Moment linii (M2 i M4) dla różnych oddziaływań Oddziaływanie dipolowe Oddziaływanie wymienne Oddziaływanie nadsubtelne

14 Prace dotyczące RBa2Cu3O6+x: etap E Cu2+ (3d9) Identyfikacja dimerów i klasterów miedziowych Symulacja widma ERP miedzi za pomocą programu komputerowego Wnioskowanie na podstawie otrzymanych wartości parametrów hamiltonianu spinowego Yb0.5La Klastery S=2 Yb123 gx=2.0385, gy=2.1188, gz=2.2340, ΔHx=90 MHz ΔHy=185 MHz, ΔHz=185 MHz.

15 Oddziaływania magnetyczne w układzie jonów Yb3+ w Yb123: ciepło właściwe Porównanie z eksperymentem: Redukcja wysokości piku i przesunięcie do niższych temperatur dla niskich pól magnetycznych Prawdopodobna przyczyna: Istnienie klasterów Yb3+, ale symulacja z użyciem klasteru S=2 nieudana

16 Oddziaływania magnetyczne w układzie jonów Yb3+ w Yb123: podatność i namagnesowanie Wniosek: Właściwości paramagnetyczne Yb123 nie w pełni wyjaśnia CF mały moment magnetyczny Yb3+ umożliwia zobaczenie wkładu innych centrów magnetycznych

17 Oddziaływania magnetyczne w układzie jonów Yb3+ w Yb123: ERP Próbka YbBa2Cu3O6.7 Symulacja komputerowa MONOQF, g(3.4, 3.7, 3.3) Wnioski: potwierdza stan podstawowy CF bliski kubicznemu, oś b łatwego namagnesowania Wniosek z analizy kształt linii (lorentzowskiej): Największy wkład -oddziaływanie wymienne z 2J=0.24 K, wkład oddziaływania dipolowego ~6%

18 Oddziaływania magnetyczne w układzie jonów Yb3+ w Yb123: ERP Próbka Yb0.5Y0.5Ba2Cu3O6.5 Wzrost szerokości linii w najniższych temperaturach wpływ centrów z pł. Cu2 Symulacja widma oddziaływaniami dipolowym i wymiennym nie w pełni wyjaśnia obserwowane widmo. Należy uwzględnić występowanie dimerów w pł. ab (r=3.8 A, 2J=-0.17 cm-1) Linia Yb3+ (g~3.43) tutaj węższa niż w Yb123

19 Oddziaływania magnetyczne w układzie jonów Cu2+ w Yb123: ERP Próbka Yb123 wygrzana w helu, z większym deficytem tlenowym, linia izotropowa w niskich temperaturach, rombowa w wysokich Dimery miedziowe z oddziaływaniem AF I(T)~1/T[3+exp(-J/kT)] J=-10 K Fluktuujące pole wewnętrzne, spowalniające przy obniżaniu temperatury powoduje poszerzenie linii Wniosek: widmo izotropowe - zlokalizowane klastery miedziowe indukowane przez dziury w warstwach Cu1 lub Cu2

20 Oddziaływania magnetyczne w związkach Er Ä C 5a Ä C (Jou l e/m ol e*k ) 8 Ä C 5b Ä C 5c 6 Ä C p (H = 5 T ) 4 Ä C (H = 0 T ) T (K ) Wniosek: Ciepło właściwe i podatność magnetyczna poprawnie opisana są za pomocą parametrów pola krystalicznego wyznaczonych w rozpraszaniu neutronów, nie ma dwu blisko siebie leżących dubletów Γ6 i Γ7.

21 Oddziaływania magnetyczne jonów Er3+ w ErxY1-xBa2Cu3O7-δ (δ~1): ERP Wniosek: Obserwowane widmo pochodzi od jonów Er3+ Stan podstawowy obliczony z parametrów pola krystalicznego (brak blisko lezącego dubletu) poprawnie odtwarza widmo x=1 x=0,5

22 Oddziaływania magnetyczne Er3+ w ErxY1-xBa2Cu3O7-δ (δ~1): ERP Analiza szerokości linii rezonansowej Wniosek: Oddziaływanie wymienne, aby poprawnie opisywało szerokość linii musi być anizotropowe w pł. ab (Ja=1,8 K (AFM), Jb=0,85 K (FM)). Przyczyną mogą być niejednorodności ładunkowe/spinowe w pł. Cu2 (pasemka?) Oddziaływanie wymienne zmniejsza szerokość i anizotropię szerokości dipolowych linii

23 Oddziaływania magnetyczne w związkach Dy123 Wnioski: Duża anizotropia magnetyczna, zgodność z danymi doświadczalnymi W silnym polu brak zgodności (zaburza uporządkowanie) Obliczona szerokość dipolowa za duża, należy uwzględnić oddziaływanie wymienne

24 Oddziaływania magnetyczne w związkach Sm123 Wnioski: W podatności magnetycznej wkład nie od domieszki BaCuO2, ale od FM klasterów miedzi z pł. Cu1 (11% jonów) Nie zarejestrowano sygnału ERP od Sm3+ (powinien być w polach powyżej 12 kgs) Zarejestrowano sygnał ERP od klasterów miedzi

25 Oddziaływania magnetyczne w związkach Nd123 Wnioski: Obliczona podatność poprawnie odtwarza eksperyment dla próbki x=1, dla próbki z deficytem tlenowym wkład od pł. Cu1 (widoczny dla H=1 koe) Nie obserwowano sygnału ERP od Nd3+ (obliczenia teoretycznie g~2.4, przykryty przez silny sygnał izotropowy Cu2+ od FM par miedziowych w pł. Cu1)

26 Oddziaływania magnetyczne w związkach R123 z jonami niekramersowskimi (Tm3+, Ho3+, Eu3+) Wnioski: [Tm3+] W fazie rombowej zgodność, w fazie tetragonalnej wpływ FM miedzi z pł. Cu1 [Ho3+] Zadowalająca zgodność podatności i ciepła właściwego [Eu3+] Wyraźny wpływ domieszki Eu2+ i jonów miedzi

27 R2Cu2O5 CuO RO CuO Łańcuchy CuO wzdłuż osi a Układ rombowy a~10.8 Å, b~3.5 Å, c~12.5 Å 1. AF w niskich temperaturach 2. Metamagnetyki w fazie AF

28 Prace dotyczące R2Cu2O5: ogólny schemat Synteza roztworów stałych (YxR1-x)2Cu2O5 A Badania rentgenograficzne i termograwimetryczne B Badania właściwości magnetycznych (ERP)

29 Prace dotyczące R2Cu2O5: etap A Reakcja syntezy Prawo Vegarda Prawo Bragga (sieć rombowa)

30 Prace dotyczące R2Cu2O5: etap A Krzywe termograwimetryczne analizowano stosując metodę Freemana-Carrolla Większy promień jonowy R3+(od Y3+) struktura mniej stabilna, niższa temp. rozkadu Zależne od defektów

31 Prace dotyczące R2Cu2O5: etap B (YxEr1-x)2Cu2O5 R-O-Cu k=6+1 I(x)=I0(1-xn), n=0,17 n 1/k

32 ERP związków R2Cu2O5: pomiary temperaturowe (Y0.5Er0.5)2Cu2O5 p=0.74 Er225 TN=27 K Y225 TN=11 K q=1 θcw=32 K 2D

33 ERP związków R2Cu2O5: pomiary temperaturowe (Dy0.375Y0.625)2Cu2O5

34 ERP związków R2Cu2O5: oddziaływania magnetyczne Korelacje I: T>100 K (1D) II:30 K<T<100 K (2D) III: T<22 K (3D)

35 Podsumowanie Związki R123 Pole krystaliczne: Parametry pola krystalicznego dla różnych R3+ w R123 wykazują systematyczne zmiany, co umożliwia ich przewidywanie dla tych R3+, dla których są one nie zmierzone. Należy uwzględnić wzbudzone poziomy energetyczne. Właściwości magnetyczne: Ciepło właściwe, podatność magnetyczna i namagnesowanie obliczone ze znanych poziomów energetycznych jonów R3+ w ogólności poprawnie odtwarza wyniki eksperymentalne, a ewentualne różnice (szczególnie dla próbek z deficytem tlenowym) można wyjaśniać innymi powodami (np. obecnością jonów i klasterów miedzi). Spektroskopia ERP umożliwia identyfikacje widm R3+ jonów kramersowskich i wydzielenie wkładu od kompleksów miedziowych (cztery rodzaje centrów jonów Cu2+). Związki R225 Pokazano, że spektroskopia ERP umożliwia badanie niskowymiarowego magnetyzmu układu jonów miedzi oraz wpływ na niego jonów R3+.