CC BY
16Ученые записки Таврического национального университета имени В.И. Вернадского Серия «Физико-математические науки». Том 24 (63). 2011 г. № 2. С. 169-174
УДК 548.54, 548.522
МОНОКРИСТАЛЛЫ FexGa1-xBO3 ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ В ФИЗИКЕ
ТВЕРДОГО ТЕЛА
Стругацкий М.Б.1, Ягупов С.В.1, Постывей Н.С.1, Селезнева К.А.1, Милюкова Е. Т.1, Ягупов В. С.2
1Таврический национальный университет имени В.И. Вернадского, Симферополь, Украина
2Крымское отделение украинского геологоразведочного института, Симферополь, Украина
E-mail: strugatskyCa crimea. edu, yagupovÇa crimea. edu
Экспериментально на основе метода раствор-расплавной кристаллизации показана возможность изоморфного замещения магнитных ионов железа диамагнитными ионами галлия в соединении FexGa1-xBO3 в диапазоне концентраций 0 < х < 1. Полученные образцы кристаллов FexGa1-xBO3 оптического качества изучались методами рентгенофлуоресцентного анализа (РФА) и энергодисперсионной спектроскопии (ЭДС). Ключевые слова: синтез, борат железа, диамагнитное разбавление.
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время монокристаллы бората железа находят широкое применение в качестве модельных объектов фундаментальных экспериментальных исследований физики магнитоупорядоченного состояния.
Дополнительные возможности изучения новых эффектов открываются при использовании кристаллов бората железа, содержащих различные добавки, изоморфно замещающие атомы железа. Частичное замещение магнитных ионов диамагнитными в магнитоупорядоченных кристаллах является мощным методом, который позволяет детально изучать многие свойства магнетиков. Это связано с различием зависимостей механизмов, которые формируют такие свойства, от степени диамагнитного разбавления. В частности для оптических, магнитных и магнитооптических исследований большой интерес представляют кристаллы FexGa1-xBO3.
1. СИНТЕЗ
Бораты железа выращиваются двумя способами - из раствора в расплаве [1] и из газовой фазы [2]. Изоморфное замещение ионов Fe ионами Ga в соединении FexGai-xBO3 возможно осуществить методом раствор-расплавной кристаллизации
[3].
В настоящей работе методом спонтанной кристаллизации из раствора в расплаве синтезированы монокристаллы на основе бората железа, часть ионов железа в которых замещена ионами Ga в диапазоне концентраций от 0 < х < 1.
Для выращивания кристаллов путем кристаллизации из раствора в расплаве использовалась установка, функциональная схема которой представлена на рис. 1. Основными элементами экспериментальной установки являются: печь сопротивления, силовой блок, вращающее устройство с затравкодержателем, микропроцессорная система, управляющая и контрольная термопары.
Рис. 1. Установка для выращивания монокристаллов FexGal-xBO3.
Основные требования, предъявляемые к установкам для синтеза монокристаллов, заключаются главным образом, в возможности установления заданного распределения температуры внутри печи и плавного ее изменения, а также, в возможности многократного воспроизведения того или иного температурного режима. Для решения этой задачи, а также для автоматизации ростового комплекса нами разработана микропроцессорная система. Она позволяет:
1) управлять тепловым узлом установки;
2) усиливать и регистрировать сигнал с термопар;
3) отображать на мониторе информацию о процессах, происходящих в раствор-расплавной системе с последующим сохранением полученных данных в персональном компьютере.
Кристаллизация проводилась в системе Ga2O3 - Fe2O3 - В203 - РЬО - PbF2, которая исследовалась зондовым методом и методом дифференциально-термического анализа. В результате определены соотношения компонентов шихты и температурные режимы, оптимальные для синтеза кристаллов. Серия пробных кристаллизаций показала, что в температурный режим необходимо вносить существенные корректировки при изменении соотношения кристаллообразующих компонентов. Температурный режим одного из процессов приведен на рис. 2. Он состоит из следующих этапов: I - нагрев печи; II - гомогенизация; III - резкий сброс температуры; IV - область зарождения и роста кристаллов; V - охлаждение печи
(извлечение затравкодержателя с синтезированными кристаллами); VI - охлаждение печи. Выросшие кристаллы FexGa1-xBO3 показаны на рис. 3,4, 5.
Т,0С 900
800 760
500
210 1440 20
7200
180 Д1 мин
Рис. 2. Температурный режим кристаллизации.
Рис. 3. Монокристаллы FexGa1-xBO3 Рис. 4. Монокристаллы FeхGa1-хBO3
на затравкодержателе. с различными значениями х.
+
б
Рис. 5. Монокристаллы GaBO3 (а) и FeBO3(б).
а
2. ИССЛЕДОВАНИЕ ОБРАЗЦОВ
Синтезированные кристаллы изучались методом рентгенофлуоресцентного анализа (РФА) (рис.6) и методом энергодисперсионной спектроскопии (ЭДС) (рис.7).
Методом РФА установлено, что концентрация ионов железа и галлия в шихте существенно отличается от концентрации этих ионов в синтезированных кристаллах и, кроме этого, в кристаллах наблюдается разброс концентраций (рис.6). Обнаружено, например, что для концентрации железа в шихте 1% разброс концентраций железа в кристаллах, выращенных в одном тигле, составляет диапазон от 0,2 % до 4,0 %. Обратим внимание на еще одну закономерность, которую демонстрирует рис.6. В случае малых концентраций железа в шихте
величина
х
кр
существенно превосходит величину хш
концентрации железа в шихте величины хкр и х
Однако с ростом в среднем имеют тенденцию к сближению. Такое явление, видимо, связано с размерными эффектами: кристалл растет за счет притока вещества к поверхности, а находящиеся в растворе ионы распределены в объеме. Впрочем, обнаруженная зависимость хкр(хшихт) требует дополнительных тщательных исследований.
Х,
кр
юо -,
90 80
70 Н
60
50
40 30 -20 -10 0
69,41 +
66,04
32 4 79,99 р
\ 31,96 20,8 2439
6,5
79,73
I
76,96
90,27 89,15
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Хп
Рис. 6. Зависимость относительной массы Fe в кристалле х = [т^ /(т^ + тСа)] -100% от относительной массы Fe в шихте
хшихт = [^е /(^е + тОа)] -100% .
На рис. 7 представлен ЭДС-спектр одного из исследуемых кристаллов FeхGa1_хBO3 для х = 0,06. Видны пики, характерные для входящих в состав кристалла элементов: железа, галлия, кислорода. В спектре отсутствуют пики, соответствующие бору, поскольку методика позволяет «видеть» элементы, которые массивнее бора. Не обнаружено, также, пиков иных элементов (массивнее бора), номинально не входящих в состав кристалла, что свидетельствует об отсутствии примесей.
Рис. 7. ЭДС-спектр Fe006Ga0)94BO3.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Синтезирован ряд диамагнитно разбавленных кристаллов FexGa1-xBO3 оптического качества с широким диапазоном замещений. Установлено, что концентрации ионов Fe и Ga в синтезированных кристаллах существенно отличаются от концентрации этих ионов в исходной шихте.
Список литературы
1. Стругацкий М.Б. Раствор-расплавный синтез монокристаллов бората железа / Стругацкий М.Б., Ягупов С.В. // Ученые записки ТНУ. Физика. - 2006. - Т.19(58), вып. 1. - С.76-78.
2. Панкратов А.К. Газотранспортный синтез и морфология изометричных монокристллов бората железа / Панкратов А.К., Стругацкий М.Б., Ягупов С.В. // Ученые записки ТНУ. Физика. - 2007. -Т.20(59), вып. 1. - С.64-73.
3. Камзин А.С. Синтез и исследование слабоферромагнитных монокристаллов Бе1-х0ахВ03 / Камзин А.С., Ольховик Л.П., Снеткова Е.В. // ФТТ. - 2003. - Т.45, вып. 11. - С.2025-2027.
Стругацький М.Б. Монокристали FexGa1-xBO3 для досл1дження у фшпи твердого т1ла / Стругацький М.Б., Ягупов С.В., Постивей Н.С., Селезньова К.А., М1люкова О.Т., Ягупов В.С //
Вчеш записки Таврiйського нащонального унiверситету iMeHi В.1. Вернадського. Серiя: Фiзико-математичнi науки. - 2011. - Т. 24(63), №2. - С. 169-174.
Експериментально на 0CH0Bi методу розчин-розплавно! кристалiзащi показана можливють iзоморфного замiщення магнiтних юшв за^за дiамагнiтними iонами галiю в сполущ FexGa1-xBO3 в дiапазонi концентрацiй 0 < х < 1. Отримаш зразки кристалiв FexGa1-xBO3 вивчалися методами рентгенофлуоресцентного аналiзу (РФА) та енергодисперсшно! спектроскопи (ЕДС). Ключовi слова: синтез, борат залiза, дiамагнiтне розбавлення.
Strugatsky M.B. Monocrystal system FexGa1-xBO3 for research in solid state physics / Strugatsky M.B., Yagupov S.V., Postivey N.S., Seleznyova K.A., Milyukova E.T., Yagupov V.S. // Scientific Notes of Taurida National V.I. Vernadsky University. - Series: Physics and Mathematics Sciences. - 2011 -Vol. 24(63), No.2 - P. 169-174.
Experimentally by the method of solution-melt crystallization it was demonstrated the possibility of isomorphic substitution of magnetic ions of iron by diamagnetic ions of gallium in the compound FexGa1-xBO3 in the concentration range 0 < x < 1. The samples of crystals FexGa1-xBO3 were investigated by the methods of X-ray fluorescence analysis (XRFA) and energy dispersive spectroscopy (EDS). Keywords: synthesis, iron borate, diamagnetic dilution.
Поступила в редакцию 18.09.2011 г.
