Спиновые и магнитные свойства трехядерных строительных блоков молекулярных магнетиков (стр. 1 )

На правах рукописи

СПИНОВЫЕ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ТРЕХЯДЕРНЫХ

СТРОИТЕЛЬНЫХ БЛОКОВ МОЛЕКУЛЯРНЫХ МАГНЕТИКОВ

01.04.07 – Физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Оренбург 2012

Работа выполнена на кафедре физики конденсированного состояния

федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Оренбургский

государственный университет.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор

Институт проблем химической физики РАН,

г. Черноголовка, Московская обл.

кандидат физико-математических наук

Институт физики металлов УрО РАН,

г. Екатеринбург

Ведущая организация: ФГАУ ВПО «Балтийский федеральный

университет имени Иммануила Канта»

Защита состоится 19 октября 2012 года в 1230 часов на заседании диссертационного совета Д 212.218.01 при ФГБОУ ВПО Ульяновский государственный университет 06, ауд. 703

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ульяновского государственного университета, с авторефератом на сайте вуза http://www.uni.ulsu.ru и сайте ВАК при Министерстве образования и науки РФ vak.ed.gov.ru.

Автореферат разослан “__” __________ 2012 г.

Отзывы на автореферат просим направлять по адресу:

432017 г. Ульяновск, ул. Льва Толстого, д. 42, управление научных исследований

Ученый секретарь

диссертационного совета

к. ф.-м. н.,

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Получение и синтез новых магнитных материалов является одним из приоритетных направлений современных физики и химии. Такими перспективными магнитными материалами являются органические и молекулярные магнетики [1–5]. Чтобы получить эти магнетики необходимо иметь «строительный материал» – высокоспиновые органические или металлорганические молекулы, знать как этот материал организовать в молекулу с упорядоченным выстраиванием электронных спинов и организовать достаточно высокую температуру магнитного фазового перехода (точку Кюри, Нееля), высокую намагниченность и доменную структуру.

Удобными «строительными блоками» новых магнетиков, способных комбинировать магнитные и полупроводниковые свойства, являются комплексы и кластеры переходных d- и f-металлов с органическими лигандами [5]. Практически неограниченные возможности химического синтеза и дизайна пространственной организации комплексов позволяют получать самые разнообразные магнитные структуры и, в принципе, даже такие экзотические, как решетки кагоме, состоящие из треугольных элементов.

Синтез «треугольных» молекулярных магнетиков открывает новые возможности в создании геометрически фрустрированных магнитных систем. Даже двумерные геометрически фрустрированные системы привлекли повышенный интерес в связи с возможностью обнаружения новых спиново-разупорядоченных состояний, таких как спиновые жидкости и стекла. Чаще всего фрустрированными являются системы с треугольной элементарной ячейкой в решетке, в узлах которой находятся магнитные ионы [6]. С тех пор, как состояние спиновой жидкости было теоретически предсказано в 1973 для гейзенберговских антиферромагнетиков со спинами S = 1/2 на треугольной решетке, они стали объектом теоретических и экспериментальных

исследований [7]. Однако, количество известных фрустрированных неорганических магнетиков невелико, поэтому синтез и исследование физических свойств новых «строительных блоков» органических магнитных материалов с новыми свойствами поможет и создать новые магнитные материалы, и решить актуальные проблемы магнетизма.

Целью представляемой работы является теоретическое описание базовых магнитных свойств треугольных комплексов типа Cu3L3, Ni3L3, синтезированных в ОГУ и гетероионных комплексов NiCu2L3 и Ni2CuL3, которые могут быть получены в перспективе, на основе модели изотропного обменного гамильтониана.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

· Рассчитать основные спиновые и магнитные состояния треугольных комплексов с тремя одинаковыми ионами в трехъядерном треугольном кластере (комплексы типа Cu3L3 и Ni3L3)

· Рассчитать основные спиновые и магнитные состояния треугольных гетероионных комплексов, содержащих два одинаковых иона и третий отличный от них по заряду и спину (комплексы типа NiCu2L3 и Ni2CuL3).

· Исследовать магнитные свойства треугольных комплексов Cu3L3 и Ni3L3.

· Произвести количественную оценку характеристик треугольных комплексов.

Научная новизна работы.

1. Рассчитаны магнитные основные состояния и свойства треугольных комплексов Cu3L3 и Ni3L3, впервые синтезированных в Оренбургском государственном университете.

2. Рассчитаны возможные основные состояния трехядерных гетероионных комплексов типа Cu2NiL3 и Ni2CuL3.

3. Показано, что треугольные комплексы обладают необычными спиновыми конфигурациями, которые образуют 120°-структуру у Ni3L3, описываются только матрицей плотности у Cu3L3, не зависят от соотношения обменных констант у Cu2NiL3 и Ni2CuL3.

4. Построены температурные и магнитнополевые зависимости ЧЕГО ОТ ЧЕГО треугольных комплексов Cu3L3 и Ni3L3. Показано, что температурные зависимости качественно меняют свой вид при различных значениях магнитного поля, а магнитнополевые зависимости могут скачкообразно меняться при изменении магнитного поля при сверхнизких температурах.

5. Предсказано новое явление – магнитноиндуцированый спиновый кроссовер в трехъядерных комплексах переходных металлов и даны оценки его характеристик.

Практическая значимость диссертации заключается в следующем.

1. Треугольные комплексы переходных металлов являются перспективными строительными блоками новых типов молекулярных магнетиков.

2. Треугольные комплексы переходных металлов позволят получить фрустрированные молекулярные магнетики.

3. Магнитноиндуцированный спиновый кроссовер позволяет создать новые методы оценки обменных взаимодействий в строительных блоках молекулярных магнетиков.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Среди возможных спиновых состояний комплекса Ni3L3 с полным электронным спином S = 0, 1, 2, 3 низшей энергией обладает «диамагнитное» состояние S = 0 с полной компенсацией трех спинов Si = 1 в симметричной пространственной и магнитной структуре.

2. Основное спиновое состояние комплекса Cu3L3, удовлетворяющее условиям симметрии, можно описать лишь с помощью спиновых матриц плотности.

3. Существуют основные состояния с некомпланарной спиновой структурой у гетероионных комплексов типа (Cu2Ni)L3 и (Ni2Cu)L3, вид спиновых функций основного состояния которых зависит от отношения обменных констант гамильтониана.

4. Температурные зависимости среднего магнитного момента трехъядерных комплексов Ni3L3 и Cu3L3 сильно зависят от магнитного поля.

5. В трехядерных комплексах возможен магнитноиндуцированный спиновый кроссовер, при котором изменяется полный спин комплекса без изменения спина отдельных ионов. Регистрация магнитно индуцированного спинового кроссовера в трехъядерных комплексах позволяет экспериментально оценить величину обменного взаимодействия.

Личный вклад соискателя. Автор участвовал в постановке задач, в получении и анализе всех результатов.

Апробация работы. Материалы диссертации представлены на следующих международных и российских конференциях: 4-й русско-японский семинар «Магнитные эффекты в молекулярных и биофизических системах» (Оренбург, Россия 16-19 Сентябрь, 2009), Международная научная конференция молодых учёных «Ломоносов-2009» (Москва, Россия, 11-14 апреля 2009), II Всероссийская школа-семинар «Наноматериалы-2009» (Россия, Рязань, 21-26 сентября 2009), 5-й русско-японский семинар «Магнитные эффекты в молекулярных и биофизических системах» (Оренбург, Россия 15-17 Сентября, 2010), III Всероссийская школа-семинар «Наноматериалы-2010» (Россия, Рязань, 27 сентября – 6 октября 2010), 45-я школа ПИЯФ РАН по физике конденсированного состояния (ФКС-2011) (Россия, Санкт-Петербург, 14-19 марта, 2011), VIII International Voevodsky Conference “Physics and Chemistry of Elementary Chemical Processes” (Россия, Новосибирск, 2012), Международная балтийская школа по физике конденсированного состояния и магнетизму (Россия, Калининград 2012).

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 2 статьях в российских журналах из перечня ВАК и в 8 тезисах докладов международных и всероссийских конференций.

Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, трёх глав, содержащих оригинальные результаты, выводов и списка цитируемой литературы. В конце каждой главы, за исключением литературного обзора, приведены резюме. Работа изложена на 110 страницах и содержит 57 рисунков.

Содержание работы

Во ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность работы, приведена структура диссертации, поставлена цель исследования, и сформулированы основные задачи.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Глава представляет собой литературный обзор, состоящий из трёх параграфов. Первый посвящён описанию молекулярных магнетиков. Второй – описанию фрустрированных магнитных треугольных систем.

В третьем параграфе литературного обзора рассмотрены примеры некоторых треугольных комплексов переходных металлов, их структура и магнитные свойства.

ГЛАВА 2. ОСНОВНОЕ МАГНИТНОЕ СОСТОЯНИЕ ТРЕХЪЯДЕРНЫХ ТРЕУГОЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ

В главе исследовано основное магнитное состояние трехъядерных треугольных антиферромагнитных комплексов Cu3L3, Ni3L3, Cu2NiL3 и Ni2CuL3. Для описания магнитных свойств таких треугольных комплексов удобно воспользоваться их идеализированной «магнитной моделью», представленной на рис. 1.

Основное состояние изотропного «строительного блока» можно получить нахождением собственных значений Ei и собственных векторов спинового гамильтониана (1)

(1)

Обменная константа J < 0, поскольку комплексы Cu3L3, Ni3L3, Cu2NiL3 и Ni2CuL3 являются антиферромагнетиками.

В данной работе будут рассматриваться «строительные блоки» двух типов:

1) Все три иона идентичны (S1 = S2 = S3) и связаны обменным взаимодействием J;

2) Два иона идентичны (S2 = S3 ≠ S1) и мы примем значение обменной константы между ионами со спинами S1, S2 и S3 равным J, а между S2 и S3 за J’.

В первом случае гамильтониан при Н = 0 запишется в виде:

. (2)

Во втором случае гамильтониан будет в виде:

. (3)

Наименьшим собственным значениям гамильтонианов (2)–(3) соответствуют энергии Е основных состояний комплексов Cu3L3, Ni3L3, Cu2NiL3 и Ni2CuL3. Потенциальная «фрустрированность» треугольных комплексов требует не только расчета волновой функции (вектора состояния ), но и построения наглядной схемы ориентации спиновых векторов.

Для построения наглядной спиновой картины основного состояния молекулярных антиферромагнетиков и ферримагнетиков воспользуемся векторной моделью спинов и определим углы между этими векторами по аналогии с классическими векторами и . Косинус угла между этими векторами равен:

. (4)

Для спиновых векторов аналогом скалярного произведения классических векторов является среднее значение произведения операторов

, (5)

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3