Магнитные фазовые переходы в ультратонких пленках YFeO3 по данным синхротронной мёссбауэровской рефлектометрии

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Исследованы магнитные свойства ультратонких монокристаллических пленок ортоферрита Y57FeO3 методом мессбауэровской рефлектометрии. Измерения мёссбауэровских спектров проведены на синхротроне ESRF в геометрии отражения. При изменении температуры от 3.6 до ~773 К расщепление зеемановского секстета в спектрах последовательно уменьшается и одновременно в них появляется квадрупольный дублет, свидетельствующий о развитии магнитного фазового перехода. По температурным зависимостям магнитного сверхтонкого поля Bhf для основной орторомбической фазы Y57FeO3 определены значения температуры Нееля TN ≅ 593, 562 и 567 К и критического параметра β ≅ (0.28–0.3) ± 0.02 в пленках толщиной 28, 6.5 и 4 нм соответственно. Анализ изменения соотношения интенсивностей линий в зеемановском секстете с температурой позволяет проследить за последовательным разворотом направления антиферромагнитных осей в Y57FeO3 к плоскости поверхности при увеличении температуры, а также уменьшении толщины пленки.

Об авторах

В. В. Изюров

Институт физики металлов УрО РАН

Email: koleson01@mail.ru
Россия, 620108, Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18

А. П. Носов

Институт физики металлов УрО РАН

Email: koleson01@mail.ru
Россия, 620108, Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18

И. В. Грибов

Институт физики металлов УрО РАН

Email: koleson01@mail.ru
Россия, 620108, Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18

М. А. Андреева

МГУ имени М.В. Ломоносова, физический факультет

Автор, ответственный за переписку.
Email: koleson01@mail.ru
Россия, 119999, Москва, Ленинские горы, 1

Список литературы

  1. Baltz V., Manchon A., Tsoi M., Moriyama T., Ono T., Tserkovnyak Y. Antiferromagnetic spintronics // Rev. Mod. Phys. 2018. V. 90. P. 015005-1-57. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.90.015005
  2. Никитов С.А., Сафин А.Р., Калябин Д.В., Садовников А.В., Бегинин Е.Н., Логунов М.В., Морозова М.А., Одинцов С.А., Осокин С.А., Шараевская А.Ю., Шараевский Ю.П., КирилюкА.И. Диэлектрическая магноника – от гигагерц к терагерцам // УФН. 2020. Т. 190. № 10. С. 1009–1040. https://doi.org/10.3367/UFNr.2019.07.038609
  3. Дзялошинский И.Е. Термодинамическая теория “слабого” ферромагнетизма в антиферромагнитных веществах // ЖЭТФ. 1957. Т. 32. № 6. С. 1547–1563.
  4. Demidov V.E., Urazhdin S., Ulrichs H., Tiberkevich V., Slavin A., Baither D., Schmitz G., Demokritov S.O. Magnetic nano-oscillator driven by pure spin current // Nature Mater. 2012. V. 11. P. 1028–1031. https://doi.org/10.1038/NMAT3459
  5. Sulymenko O.R., Prokopenko O.V., Tiberkevich V.S., Slavin A.N., Ivanov B.A., Khymyn R.S. Terahertz-Frequency Spin Hall Auto-oscillator Based on a Canted Antiferromagnet // Phys. Rev. Appl. 2017. V. 8. P. 064007-1-13. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.8.064007
  6. Khymyn R., Lisenkov I., Tiberkevich V., Ivanov B.A., Slavin A. Antiferromagnetic THz-frequency Josephson-like Oscillator Driven by Spin Current// Scientific Reports. 2017. V. 7. P. 43705-1-10. https://doi.org/10.1038/srep43705
  7. Safin A., Nikitov S., Kirilyuk A., Tybekevych V., Slavin A. Theory of Antiferromagnet-Based Detector of Terahertz Frequency Signals // Magnetochemistry. 2022. V. 8. P. 26-1-11. https://doi.org/10.3390/magnetochemistry8020026
  8. Eibschütz M., Gorodetsky G., Shtrikman S., Treves D. Differential Thermal Analysis and Mössbauer Studies in Rare-Earth Orthoferrites // J. Appl. Phys. Suppl. 1964. V. 35. P. 1071–1072. https://doi.org/10.1063/1.1713384
  9. Pinto H., Shachar G., Shaked H.Sublattice magnetization in YbFeO3 and YFeO3 as obtained by neutron diffraction and its relation to the hyperfine field // Solid State Communications. 1970. V. 8. P. 597–599. https://doi.org/10.1016/0038-1098(70)90157-2
  10. Shang M., Zhang C., Zhang T., Yuan L., Ge L., Yuan H., Feng S. The multiferroic perovskite YFeO3 // Appl. Phys. Let. 2013. V. 102. P. 062903-1-3. https://doi.org/10.1063/1.4791697
  11. Salazar-Rodriguez R., Aliaga-Guerra D., Taddei K.M. X-ray diffraction, Mössbauer spectroscopy, neutron diffraction, optical absorption and ab-initio calculation of magnetic process in orthorhombic YFexCr(1−x)O3 (0 ≤ x ≤ 1) compounds // Hyperfine Interact. 2019. V. 240. P. 82-1-17. https://doi.org/10.1007/s10751-019-1619-2
  12. Rosales-González O., Sánchez-De Jesús F., Cortés-Escobedo C.A., Bolarín-Miró A.M. Crystal structure and multiferroic behavior of perovskite YFeO3 // Ceram. Int. 2018. V. 44. P. 15298–15303. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.05.175
  13. Eibschütz M., Shtrikman S., Trevest D. Mossbauer Studies of Fe57 in Orthoferrites // Phys. Rev. 1967. V. 156. P. 562–577. https://doi.org/10.1103/PhysRev. 156.562
  14. Durbin G.W., Johnson C.E., Thomas M.F. Direct observation of field-induced spin reorientation in YFeO3 by the Mossbauer effect // J. Phys. C: Solid State Phys. 1975. V. 8. P. 3051–3057. https://doi.org/10.1088/0022-3719/8/18/024
  15. Mathur S., Veith M., Rapalaviciute R., Shen H., Goya G.F., Filho W.L.M., Berquo T. S. Molecule derived synthesis of nanocrystalline YFeO3 and investigations on its weak ferromagnetic behavior // Chem. Mater. 2004. V. 16. P. 1906–1913. https://doi.org/10.1002/chin.200430019
  16. Ohbayashi K. The critical behaviors near the Curie point of a weak ferromagnet YFeO3 // J. Phys. Soc. Japan. 1971. V. 30. P. 86–92.
  17. Gorodetsky G., Shtrikman S., Treves D. The critical behavior of a weak ferromagnet // Solid State Comm. 1966. V. 4. P. 147–151. https://doi.org/10.1016/0038-1098(66)90214-6
  18. Кринчик Г.С. Физика магнитных явлений. Изд-во Моск. Ун-та, 1985. 336 с.
  19. Черепанов В.М., Якимов С.С. Исследование критического поведения ортоферрита иттрия YFeO3 с помощью эффекта Мессбауэра // Письма в ЖЭТФ. 1974. Т. 19. № 12. С. 764–768.
  20. Kodama R.H., Makhlouf S.A., Berkowitz A.E. Finite size effects in antiferromagnetic NiO nanoparticles // Phys. Rev. Lett. 1997. V. 79. P. 1393–1396.
  21. Charilaou M., Hellman F. Anomalous magnetic thermodynamics in uncompensated collinear antiferromagnets // Europhysics Letters. 2014. V. 107. P. 27002-1-11.
  22. Röhlsberger R., Thomas H., Schlage K., Burkel E., Leupold O., Rüffer R. Imaging the magnetic spin structure of exchange-coupled thin films // Phys. Rev. Lett. 2002. V. 89. P. 237201–237204.
  23. Mitsui T., Masuda R., Hirao N., Mibu K., Seto M. Synchrotron radiation 57Fe-Mössbauer spectroscopy using nuclear monochromator // Hyperfine Interactions. 2012. V. 204. P. 97–100.
  24. Mitsui T., Sakai S., Li S., Ueno T., Watanuki T., Kobayashi Y., Masuda R., Seto M., Akai H. Magnetic Friedel Oscillation at the Fe (001) Surface: Direct Observation by Atomic-Layer-Resolved Synchrotron Radiation 57Fe Mössbauer Spectroscopy // Phys. Rev. Lett. 2020. V. 125. P. 236806-1-6.
  25. Okabayashi J., Li S., Sakai S., Kobayashi Y., Mitsui T., Tanaka K., Miura Y., Mitani S. Perpendicular magnetic anisotropy at the Fe/Au (111) interface studied by Mössbauer, x-ray absorption, and photoemission spectroscopies // Phys. Rev. 2021. V. 103. P. 104435-1-8.
  26. Andreeva M.A., Baulin R.A., Nosov A.P., Gribov I.V., Izyurov V.V., Kondratev O.A., Subbotin I.A., Pashaev E.M. Mössbauer Synchrotronand X-ray Studies of Ultrathin YFeO3 Films // Magnetism (MDPI). 2022. V. 2. P. 328–339. https://doi.org/10.3390/magnetism2040023
  27. Rüffer R., Chumakov A.I. Nuclear resonance beamline at ESRF // Hyperfine Interact. 1996. V. 97. P. 589–604. https://doi.org/10.1007/BF02150199
  28. Potapkin V., Chumakov A.I., Smirnov G.V., Celse J.P., Rüffer R., McCammon C., Dubrovinsky L. The 57Fe Synchrotron Mossbauer Source at the ESRF // J. Synchrotron Rad. 2012. V. 19. P. 559–569. https://doi.org/10.1107/S0909049512015579
  29. Brune H. Epitaxial growth of thin films // Surface Interface Sci. 2014. V. 4. P. 421–492. https://doi.org/10.1002/9783527680566
  30. Varouti E., Devlin E., Sanakis Y., Pissas M., Christides C., Tomara G.N., Karahaliou P.K., Georga S.N., Krontiras C.A. A systematic Mössbauer spectroscopy study of Y3Fe5O12samples displaying different magnetic ac-susceptibility and electric permittivity spectra // J. Magn. Magn. Mater. 2019. V. 495. P. 165881-1-19. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2019.165881
  31. Irshinski A.L., Ozhogin V.I., Cherepanov V.M., Yakimov S.S. Critical behavior of iron borate of yttrium-iron garnet // Sov. Phys. JETP. 1979. V. 49. № 3. P. 563–569 (ЖЭTФ. 1979. T. 76. № 11. C. 1111–1122).
  32. Lee Y.B., Chae K.P., Lee S.H. Mössbauer study of substituted YIG, Y–Gd–Fe–In–O system // J. Phys. Chem. of Solids. 2001. V. 62. P. 1335–1340. https://doi.org/10.1016/s0022-3697(01)00031-2
  33. Widatallah H.M., Johnson C., Al-Harthi S.H., Gismelseed A.M., Al-Rawas A.D., Stewart S.J., Elzain M.E., Al-Omari I.A., Yousif A.A. A structural and Mössbauer study of Y3Fe5O12 nanoparticles prepared with high energy ball milling and subsequent sintering // Hyperfine Interact. 2008. V. 183. P. 87–92. https://doi.org/10.1007/s10751-008-9734-5
  34. Kostishin V.G., Korovushkin V.V., Nalogin A.G., Shcherbakov S.V., Isaev I.M., Alekseev A.A., Mironovich A.Yu., Salogu D.V. Features of the magnetic structure of Y3Fe5O12 polycrystals synthesized by radiation thermal sintering // FTT. 2020. V. 62. № 7. P. 1028–1035. https://doi.org/10.1134/S1063783420070124
  35. Treves D. Magnetic studies of some orthoferrites // Phys. Rev. 1962. V. 125. P. 1843–1853. https://doi.org/10.1103/PhysRev.125.1843
  36. White R.L. Review of Recent Work on the Magnetic and Spectroscopic Properties of the Rare-Earth Orthoferrites // J. Appl. Phys. 1969. V. 40. P. 1061–1069. https://doi.org/10.1063/1.1657530
  37. Andreeva M.A., Baulin R.A. Reflectivity spectra as absorption resonant spectra: is it correct? // J. Appl. Cryst. 2022. V. 55. P. 1196–1204. https://doi.org/10.1107/S160057672200783X
  38. Andreeva M.A. Nuclear resonant reflectivity data evaluation with the REFTIM program // Hyperfine Interact. 2008. V. 185. P. 17–21. https://doi.org/10.1007/978-3-540-78697-9_94
  39. Andreeva M.A., Panchuk V.V., Lindgren B. REFTIM, Version 7.4. http://www.esrf.eu/Instrumentation/software/data-analysis/OurSoftware/REFTIM-1.
  40. Andreeva M.A., Rosete C. Theory of reflection from Mossbauer mirror. Taking account of laminar variation in the parameters of the hypefine interactions close to the surface // Vestnik Moskovskogo Universiteta. Fizika. (Allerton Press). 1986. V. 41. № 3. P. 57–62.
  41. Irkaev S.M., Andreeva M.A., Semenov V.G., Belozerskii G.N., Grishin O.V. Grazing incidence Mossbauer spectroscopy: new method for surface layers analysis. Part II. Theory of grazing incidence Mossbauer spectra // Nucl. Instrum. and Methods in Phys. Res. 1993. V. 74. P. 554–564. https://doi.org/10.1016/0168-583X(93)95955-5
  42. Eibschütz M., Shtrikman S., Treves D. Internal field in orthoferrites and the one third power law // Solid State Comm. 1966. V. 4. P. 141–145.
  43. Черепанов В.М., Якимов С.С. Исследование критического поведения ортоферрита иттрия YFeO3 с помощью эффекта Мессбауэра // ЖЭТФ. 1974. Т. 19. № 12. С. 764–768.
  44. Ожогин В.И., Черепанов В.М., Якимов С.С. Влияние анизотропии на индуцирование антиферромагнетизма полем в YFeO3 // ЖЭТФ. 1974. Т. 67. № 3. С. 1042–1049.
  45. Onsager L. Crystal Statistics. I. A Two-dimensional model with an order-disorder transition // Phys. Rev. 1944. V. 65. P. 117–149. https://doi.org/10.1103/physrev.65.117
  46. Гижевский Б.А., Сухоруков Ю.П., Ганьшина Е.А., Лошкарева Н.Н., Телегин А.В., Лобачевская Н.И., Гавико В.С., Пилюгин В.П. Оптические и магнитооптические свойства наноструктурного железо-иттриевого граната // ФТТ. 2009. Т. 51. № 9. С. 1729–1734.
  47. Andreeva M.A., Baulin R.A., Chumakov A.I., Rüffer R., Smirnov G.V., Babanov Y.A., Devyaterikov D.I., Milyaev M.A., Ponomarev D.A., Romashev L.N., Ustinov V.V. Nuclear resonance reflectivity from [57Fe/Cr]30 multilayer with the Synchrotron Mössbauer Source // J. Synchrotron Rad. 2018. V. 25. P. 473–483. https://doi.org/10.1107/S1600577517017192
  48. Baulin R.A., Andreeva M.A., Häggström L., Asadchikov V.E., Roshchin B., Chumakov A.I., Bessas D., Rüffer R. Unique surface sensitivity to ferro- and antiferromagnetic phases by polarization analysis in synchrotron Mössbauer reflectivity // Surf. Interfaces. 2021. V. 27. P. 101 521. https://doi.org/10.1016/j.surfin.2021.101521
  49. Гуртовой К.Г., Лагутин А.С., Черепанов В.М. Магнитные фазовые переходы в ортоферрите с точкой Морина // ЖЭТФ.1975. Т. 68. № 2. С. 743–749.

Дополнительные файлы