МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Сибірський федеральний університет
Інженерно фізичне відділення
Кафедра фізики твердого тіла
Аномальні температурні ПОВЕДІНКА МАГНІТНОГО КРУГОВОГО Дихроїзм в оксидних СКЛІ З Диспрозій
Красноярськ 2009
Зміст
Введення
Опис вимірювальних установок та методів вимірювання
Результати вимірювань та їх обговорення
Висновок
Література
Введення
В даний час часто для дослідження енергетичної та кристаллохимический структури твердого тіла привертають методи дослідження в зовнішніх полях. Серед них особливе місце займають методи дослідження в магнітному полі. Специфіка цих методів полягає в тому, що вплив магнітного поля на систему не може бути описано завданням звичайного вектора напруженості поля, як це має місце у випадку електричного поля. У результаті, крім звичайної оптичної анізотропії, яка завжди виникає в середовищі під впливом зовнішніх полів і деформацій, в магнітному полі виникає додаткова, циркулярна анізотропія, пов'язана з нееквівалентністю двох напрямків обертання в площині, перпендикулярній полю.
У анізотропних кристалах при довільному напрямку хвильового вектора магнітне поле впливає на поширення світла досить слабко, викликаючи лише поява слабкої додаткової еліптичності коливань. Таким чином, вимірювання має сенс проводити тільки в напрямку оптичних осей, де спостерігається своєрідне виродження - двом поляризації відповідає одні й ті ж показник заломлення n і коефіцієнт поглинання k. У зв'язку з цим особливий інтерес представляє дослідження магнітооптичних явищ в оптично ізотропних кристалах кубічної групи, де відсутні ефекти, пов'язані з власною анізотропії e ї кристала, і явища можуть спостерігатися в чистому вигляді. Зовнішнє магнітне поле знімає в цьому випадку виродження двох станів кругової поляризації для кожного напрямку поширення, і величини n і k стають різними для право і левополярізованного світла. Це призводить до ряду магнітооптичних явищ, тісно пов'язаних між собою.
Магнітооптичні явища спостерігаються, як правило, в двох схемах експерименту: коли вектор світлової хвилі K паралельний магнітному полю H і коли перпендикулярний.
У першому випадку можуть спостерігатися або розбіжність у показниках заломлення двох циркулярно поляризованих компонент, що виявляється в повороті площини поляризації лінійно поляризованого світла, - магнітооптичне обертання або ефект Фарадея, або різниця в коефіцієнтах поглинання для цих компонент - магнітний круговий дихроїзм.
На відміну від ефекту Зеемана, дослідження якого вимагає наявності вузьких спектральних ліній, необхідних для вирішення компонент магнітного розщеплення в застосовуваних полях, МКД можуть спостерігатися в області широких смуг поглинання, характерних для багатьох систем. Вивчення МКД в області смуг поглинання дозволяє отримувати якісну і кількісну інформацію як про основний так і про збуджених станах системи - величинах магнітного розщеплення, рівнів і симетрії станів, що беруть участь в оптичних переходах. Крім того, він дозволяє визначити локальну симетрію окремих поглинаючих центрів системи і тим самим отримувати жорсткий експериментальний критерій правильності тієї чи іншої моделі центру.
Накладення магнітного поля знімає всі залишкові виродження енергетичних рівнів, що надає магнитооптическим дослідженням додаткову інформативність у порівнянні з іншими методами дослідження в зовнішніх полях.
Скло, активовані рідкісноземельними елементами, привертають увагу дослідників кілька останніх десятиліть. Такі стекла широко використовуються як матеріали для оптичних квантових генераторів і підсилювачів. Зокрема, це стосується і до стекол, що містить іони Dy 3 +. Спектри поглинання РЗ іонів в скляних матрицях досліджувалися у величезній кількості робіт, в тому числі, скла різних складів, що містять діспрозій, досліджувалися, наприклад, ст. Магнітний кругової дихроїзм, спостережуваний тільки в межах смуг поглинання, представляє додаткові можливості вивчення вироджених електронних рівнів, розщеплюваних кристалічним полем, а також і рівнів, не дозволених в оптичних спектрах поглинання. Відомі роботи, присвячені спектральним залежностям МКД f - f переходів для Er 3 +, Pr 3 + і Ho 3 + в натрієвих стеклах, Er 3 + у фосфатних стеклах, Ho 3 +, Nd 3 + і Pr 3 + у фторидно-цірконатних стеклах . У вперше були представлені спектри МКД Dy 3 + в оксидних стеклах спільно зі спектрами поглинання для ряду f - f переходів і виявлено істотне розходження парамагнітної магнитооптической активності цих переходів. Для з'ясування природи цього явища в цій роботі зроблено дослідження температурної залежності МОА f - f переходу 6 H 15 / 2 → 6 у Dy 3 + в алюмо-боро-силіко-германатном оксидному склі.
Опис вимірювальних установок та методу вимірювання
Спектри поглинання отримані за двопроменевий методикою на автоматичному спектрометрі, сконструйованому на базі монохроматора МДР 2.
Схема установки
Спектрометр призначений для отримання спектрів поглинання. Спектральний діапазон вимірювань від 2000 до 11000 Å. Максимальна роздільна здатність 20 см -1. Динамічний діапазон вимірюваної оптичної щільності від 0 до 3. Світловий потік від джерела світла конденсором спрямовується на зразок. Потім зображення зразка за допомогою лінзи фокусується на верхню половинку щілини монохроматора. Перед щілиною розташований обтюратор, що коливається з частотою напруги, що подається від звукового генератора ЗГ. Коливний обтюратор поперемінно відкриває верхню і нижню частини щілини монохроматора. Світловий потік, що пройшов через зразок, потрапляє на верхню половину щілини. Його інтенсивність:
I = I 0 · 10 - α l
де I 0 - інтенсивність світлового потоку, що пройшов через нижню частину щілини монохроматора повз зразка; α - коефіцієнт поглинання зразка, l - товщина зразка.
З монохроматора світлові потоки I 0 і I потрапляють в фотоелектронний помножувач, який перетворює їх у фотострум. Логарифмічний підсилювач перетворює фотоструму в напруги, пропорційні логарифмам потоків I 0 і I. У результаті змінну напругу на виході логаріфматора:
Δ U ~ lg I 0 - lg I = lg = α l
виявляється пропорційним коефіцієнту поглинання зразка і його оптичної щільності.
Пристрій спектрометра
Джерелом світла служить лампа КГМ 12 x 100. Подається на лампу напруга контролюється вольтметром. Ширини щілин монохроматора ДМР 4 регулюються вбудованими мікрометричними гвинтами. Монохроматор має також насадку, яка ділить вхідну щілину на два відкритих ділянки по вертикалі. Розміри їх можуть плавно змінюватися. Перед щілиною монохроматора може поміщатися світлофільтр. На барабані монохроматора нанесена шкала від 0 до 350 поділок, яка становить один піддіапазон. Барабан приводиться в рух кроковим двигуном або синхронним двигуном. Діапазон вимірювань монохроматора розбитий на чотири піддіапазони. За спеціальною таблицею можна перевести кожну шкалу в Å або см -1.
Фотоприймачем служить ФЕП 62, синхронізований звуковим генератором ЗГ. Для зміщення початку відліку коефіцієнта поглинання блок імітатора створює сигнал, аналогічний сигналу від логаріфматора. Напруга з виходу логаріфматора реєструється або на самописці, або в АЦП ЕОМ.
Важливою перевагою даного спектрометра є те, що завдяки посиленню можна досліджувати дуже слабкі лінії поглинання, які не реєструються звичайним способом.
Блок включає в себе дві термопари Т 1 і Т 2. За допомогою регулятора ПІТ 3 та термопари Т 1 здійснюється регулювання температури в криостате. За допомогою термопари Т 2, з'єднаної з мікровольтметр, здійснюється контроль температури.
До ПІТ 3 підключена піч, яка знаходиться в Дюара з азотом. Регулятор температури ПІТ 3 змінює напругу на печі і тим самим швидкість випаровування азоту таким чином, щоб підтримувати ЕРС термопари Т 1 постійною і рівною величині, встановленої на передній панелі ПІТ 3
Опис установки для вимірювання МКД
Рис. 1. Оптична схема вимірювання
1 - вхідна щілина монохроматора
2 - поляризатор
3 - пьезомодулятор
4 - лінза
5 - зразок
6 - проточний кріостат
7 - електромагніт
8 - деполяризатор
9 - конденсор
10 - джерело світла
11 - регульована фазова пластинка
12 - поляризатор
Принцип дії
Площина поляризації поляризатора 2 виставляється під кутом 45 град. до головних осях модулятора 3. Для цього перед модулятором ставиться додатковий поляризатор 12 в положення найменшого пропускання світла при вимкненому модуляторі. Потім, при включеному модуляторі, обертанням поляризаторів 2 і 12 знову знаходиться становище найменшого пропускання світла. При цьому поляризації поляризаторів будуть паралельні до головних осях модулятора. Тепер поляризатор 2 повертають на 45 град. Орієнтація жорстко пов'язаного комплексу модулятор 3 - поляризатор 2 щодо вхідної щілини монохроматора 1 в принципі не важлива, але варто встановити її так, щоб реакція ФЕУ до постійного світлового потоку при прибраному поляризатор 12 була максимальна.
Конденсор 9 концентрує світло на зразку. Для вимірювань найкращим є паралельний пучок, але тоді мала освітленість зразка і великі шуми при вимірюванні. Доводиться вибирати оптимум. Лінза 4 фокусує зображення зразка на вхідну щілину 1. Пара елементів - поляризатор 2 і модулятор 3 встановлюють пропускання світла, поляризованого направо або наліво, так що модулюється світловий потік відповідно до круговим дихроїзм зразка.
Результати вимірювань та їх обговорення
У пропонованій роботі досліджено температурні залежності спектрів поглинання і магнітного кругового дихроїзму f - f переходу 6 H 15 / 2 → 6 в іоні Dy 3 + в оксидному склі: Dy 2 O 3 - La 2 O 3 - Al 2 O 3 - B 2 O 3 - SiO 2 - GeO 2, де масова концентрація Dy 2 O 3 складає 43.3%. Спектр поглинання скла в інфрачервоній області при кімнатній температурі показаний на рис. 1.
Магнітооптичні властивості переходів в стану 6 F 5 / 2 та 6 були вивчені раніше. На підставі температурних залежностей спектрів поглинання і МКД отримана температурна залежність інтегральної парамагнітної магнитооптической активності переходу, представлена на рис. 3.
Ван Флек і Хебб показали, що парамагнітна МОА пропорційна парамагнітної сприйнятливості: a = K χ. Однак коефіцієнт пропорційності K залежить не тільки від типу іона і довжини хвилі спостереження, але і від властивості електронного переходу, відповідального за спостережуваний магнитооптический ефект. Експерименти підтверджують, що температурні залежності цих величин дійсно збігаються, коли вимірюється ефект Фарадея, обумовлений сильними переходами, тобто, МОА зростає за абсолютною величиною при зниженні температури і підкоряється закону Кюрі або Кюрі-Вейсса. Підкоряється закону Кюрі-Вейсса і МОА f - f переходів у тому ж склі, які були вивчені в. Однак отриманий в даній роботі результат показує, що в разі заборонених по парності f - f переходів можливе істотне розходження температурних залежностей МОА і парамагнітної сприйнятливості.
Інтегральна парамагнітна МОА переходу між J мультіплета, коли вона підкоряється закону Кюрі, може бути записана у вигляді:
Тут k і Δ k - коефіцієнт поглинання і МКД, відповідно, пов'язані з смузі поглинання J 1 → J 2, H - магнітне поле, T - температура, A - константа, що характеризує МОА конкретного переходу. Як інтенсивність, так і МОА заборонених по парності f - f переходів зобов'язані дозволеним переходам між станами протилежної парності, які додаються до 4 f станам нецентросиметричного компонентою кристалічного поля, як статичного, так і пов'язаного з коливаннями решітки. Парамагнітна МОА дозволених переходів між J мультіплета дорівнює:
для переходу J →: A = - g / 2,
для переходу J → J: A = - G / 2,
для переходу J →: A = + g J / 2,
де g - фактор Ланде вихідного стану. Для дозволених переходів МОА, описувані співвідношеннями, цілком однозначні. Для f - f переходів ці величини дають тільки максимально можливі МОА, так як, перш за все, трохи домішок до 4 f станам може мати місце. Крім того, є істотні відмінності між магнитооптическими властивостями іонів з цілими та напівцілим повними моментами. Іон Dy 3 + має напівцілий момент. Стани з напівцілим моментами, принаймні, двічі вироджені в будь-якому КП і мають магнітний момент. Отже, що залежить від температури МКД повинен існувати.
Стани, домішані до 4 f станам, повинні також забезпечувати дозвіл по повному моменту згідно з правилом відбору: , Де J i - повний момент початкового стану, а
- Домішки до кінцевого стану. Таким чином, дозвіл f - f переходів з основного стану J = 15 / 2 може бути забезпечено домішкою станів з J = 13 / 2, J = 15 / 2 і J = 17 / 2 до порушеної 4 f стану. За допомогою знаходимо, що МОА переходів у згадані стану: A = -5.66, -0.66 і +5, відповідно, при g = 4 / 3. З експериментальних даних при T = 293 K, коли найбільш рівномірно заселені компоненти розщеплення основного стану в КП, знаходимо: A exp = -0.78. Порівнюючи цю величину з теоретично можливими, приходимо до висновку, що у вирішенні переходу можуть брати участь одночасно всі перераховані вище домішки до порушеної стану.
Висновок
Таким чином, парамагнітна МОА дослідженого f - f переходу складається з кількох вкладів різної величини і знака. Співвідношення вкладів залежить від заселеності компонент розщеплення основного стану кристалічним полем, що призводить до додаткової залежності інтегральної МОА від температури, яка в даній речовині і для даного переходу виявляється принципово відмінною від закону Кюрі-Вейсса.
Література
S. Tanabe. J. Non-Cryst. Solids 259, 1.
Y. Guimond, JL Adam, AM Jurdyc, J. Mugnier, B. Jacquier, XH Zhang. Optical Materials 12, 467.
IS Edelman, AV Malakhovskii, AM Potseluyko, TV Zarubina, AV Zamkov. J. Non-Cryst. Solids 306, 120.
K. Binnemans, R. Van Deun, C. G ö rller-Walrand, JL Adam. J. Non-Cryst. Solids 238, 11.
P. Babu, CK Jayasankar. Optical materials 15, 65.
M. Jayasimhadri, DVR Moorthy, RVSSN Ravi Kumar. J. Alloys and Comp. 408-412, 724.
SJ Collocott and KNR Taylor. J. Phys. C: Solid State Phys. 11, 2885.
SJ Collocott and KNR Taylor. J. Phys. C: Solid State Phys. 12 1767.
UV Valiev, AA Klochkov, AS Moskvin and P. Shiroki. Opt. Spectrosc. 69, 68.
AA Klochkov, UV Valiev and AS Moskvin. Phys. Stat. Sol. 167, 337.
K. Binnemans, C. Gorller-Walrand, J. Lucas, N. Duhamel and JL Adam. J. Alloys Compounds 225, 80.
K. Binnemans, D. Verboven, C. Gorller-Walrand, J. Lucas, N. Duhamel and JL Adam. J. Non-Cryst. Solids 204, 178.
K. Binnemans, D. Verboven, C. Gorller-Walrand, J. Lucas, N. Duhamel-Henry, JL Adam. J. Alloys Compounds 250, 321.
В.А. Ісаченко, А.Л. Сухачев. Вісник КрасГУ 4, 68.
JH Van Vleck, MH Hebb, Phys. Rev., 1934.-V. 46. - P .17.
А.В. Малаховський, В.А. Ісаченко, А.Л. Сухачев, А.М. Поцілуйко, В.М. Заблуда, Т.В. Зарубіна, І.С. Едельман. ФТТ, 2007.-Т. 49. - № 4 .- С. 667.