Модель фазовых переходов в медной шпинели при легировании сурьмой

Анотація

Проведено теоретическое исследование свойств медной шпинели Cu¹⁺[Cr_1+x³⁺Cr_1-2x⁴⁺Sb_x⁵⁺]S₄^2- в рамках спинового гамильтониана. Рассмотрена только катионная подрешетка B, содержащая ионы Cr³⁺(S₃=3/2), Cr⁴⁺(S₄=1) и диамагнитные узлы Sb⁵⁺(S=0). Между ближайшими магнитоактивными ионами имеются эффективные обменные взаимодействия через промежуточный анион: J₃₄ > 0 (двойной обмен), J₄₄ > 0, J₃₃ < 0(суперобмен), причем J₃₄ >> |J33|, J44. При хаотическом распределении ионов общая физическая картина поведения системы в зависимости от концентрации легирования x такова. В области x ≤ x_cr ≈ 0,3 существует бесконечный ферромагнитный кластер из взаимосвязанных ионов Cr³⁺ -Cr⁴⁺ (протекание по сильным ферромагнитным связям 3-4). При x >x_cr возникают конечные ферромагнитные кластеры, ориентированные "вверх" и "вниз" и связанные посредством антиферромагнитных связей J₃₃. Полная намагниченность обращается в нуль, имеет место спиновое расслоение или состояние типа кластерного спинового стекла. При x → 0,5 возникает протекание по антиферромагнитным связям J₃₃ и в антиферромагнитной матрице остаются практически только простые изолированные ферромагнитные кластеры, ориентированные в равном количестве "вверх" и "вниз". Предельное соединение (x = 0,5) содержит 1/4 "дырок" - диамагнитных узлов с оборванными связями и 3/4катионов Cr³⁺ с антиферромагнитными связями. Протекание по связям 3-4 приводит не только к ферромагнетизму, но одновременно и к металлическому состоянию за счет механизма двойного обмена (формирование ферромагнитного половинного металла). Отсутствие протекания по связям 3-4 приводит к диэлектризации системы. Таким образом, при легировании медной шпинели сурьмой (0 ≤ x ≤ 0,5) происходят концентрационные фазовые переходы: металлический ферромагнетик (x < x_cr) превращается в диэлектрик со спиновым расслоением (x_cr ≈ 0,3), который в пределе x = 0,5 становится антиферромагнитным диэлектриком.