Оптическое поглощение и рамановская спектроскопия ферробората HoFe₃(BO₃)₄: экспериментальное исследование с термодинамическим анализом

Вибрационные и оптические свойства монокристаллов HoFe₃(BO₃)₄ были исследованы с помощью рамановской спектроскопии и измерений оптического поглощения. Рамановский спектр, записанный при комнатной температуре, выявляет четко выраженные фононные моды, связанные с колебаниями решетки и внутренними модами структурных единиц. Интенсивные полосы в диапазоне 1200–1450 см^-1 приписываются внутренним колебаниям групп BO₃, в то время как особенности в области 400–700 см^-1 обусловлены октаэдрами FeO₆. Спектр оптического поглощения, измеренный в диапазоне 190–1100 нм, демонстрирует слабые узкие полосы в видимой и ближней инфракрасной областях, соответствующие внутри-4f переходам ионов Ho³⁺, и выраженный край поглощения в ультрафиолетовой области, связанный с переходами переноса заряда O^2⁻ → Fe³⁺. Оптическая ширина запрещенной зоны оценивается в 3,3–3,5 эВ. Установлена корреляция между колебательными и оптическими свойствами, демонстрирующая роль групп BO₃ и октаэдров FeO₆ в определении электронной структуры и оптического отклика материала. Результаты обеспечивают согласованную экспериментальную характеристику HoFe₃(BO₃)₄ и указывают на его потенциал для оптических и магнитооптических применений.

1. Zvezdin A.K., Pyatakov A.P. Phase transitions and giant magnetoelectric effect in multiferroics. Phys. Usp., 2004, 47, P. 416–421.

2. Kadomtseva A.M., Vorob’ev G.P., Popov Yu.F., Pyatakov A.P., Mukhin A.A., Ivanov V.Yu., Zvezdin A.K., Gudim I.A., Temerov V.L., Bezmaternykh L.N. Magnetoelectric and magnetoelastic properties of easy-plane ferroborates. J. Exp. Theor. Phys., 2012, 114, P. 810–817.

3. Hinatsu Y., Doi Y., Ito K., Wakeshima M., Alemi A. Magnetic and calorimetric studies on rare-earth iron borates LnFe3(BO3)4. J. Solid State Chem., 2003, 172, P. 438–445.

4. Krylov A.S., Sofronova S.N., Gudim I.A., Vtyurin A.N. Structural phase transition in HoFe3(BO3)4. Solid State Commun., 2013, 174, P. 26–30.

5. Erofeev D.E., Kostyuchenko N.V., Fedorov M.I., et al. Optical and magneto-optical properties of HoFe3(BO3)4. Opt. Spectrosc., 2016, 120, P. 558–566.

6. Popova M.N., Chukalina E.P., Erofeev D.A., Gudim I.A., Golosovsky I.V., Gukasov A., Mukhin A.A., Malkin B.Z. Spin–lattice coupling and crystal-field excitations in HoFe3(BO3)4. Phys. Rev. B, 2021, 103, 094411.

7. Petrakovskii G.A., Bezmaternykh L.N., Temerov V.L., et al. Antiferromagnetic resonance and magnetic anisotropy in RFe3(BO3)4 single crystals. Phys. Solid State, 2008, 50, P. 78–83.

8. Sokolov B.Y., Sharipov M.Z. Influence of the biaxial mechanical stress on the domain structure of holmium-yttrium garnet ferrite, Russ. Phys. J., 2014, 57, P. 1001–1007.

9. Boidedaev S.R., Dzhuraev D.R., Sokolov B.Yu., Sharipov M.Z. Magneto-optical investigation of weak ferromagnets. Opt. Spectrosc., 2008, 104, P. 604–609.

10. Sokolov B.Y., Sharipov M.Z. Magneto-optical properties of the iron garnet Tb3Fe5O12 near the magnetic compensation temperature. Phys. Solid State, 2014, 56 (5), P. 975–979.

11. Sharipov M.Z., Mirzhonova N.N., Hayitov D.E. Effect of inhomogeneous radially directed mechanical stresses on the domain structure of a FeBO3 single crystal. Eurasian Phys. Tech. J., 2019, 16, P. 35–41.

12. Jain A., Ong S.P., Hautier G., et al. Commentary: The Materials Project: A materials genome approach to accelerating materials innovation. APL Mater., 2013, 1, 011002.

13. Kirklin S., Meredig B., Wolverton C., et al. The Open Quantum Materials Database (OQMD): assessing the accuracy of DFT formation energies. NPJ Comput. Mater., 2015, 1, 15010.

14. Sokolov B.Y., Sharipov M.Z. Low-frequency resonance of domain walls in the iron garnet Tb3Fe5O12 near the magnetic compensation point. J. Exp. Theor. Phys., 2013, 116 (5), P. 775–779.

15. Sokolov B.Y., Sharipov M.Z. Technical magnetization of Tb3Fe5O12 garnet ferrite near the magnetic compensation point. Tech. Phys., 2013, 58 (9), P. 1274–1279.

16. Sokolov B.Y., Sharipov M.Z. The Influence of Domain Structure on the Faraday Effect in Terbium Garnet Ferrite in the Vicinity of the Magnetic-Compensation Temperature. Russ. Phys. J., 2013, 56 (7), P. 845–851.

17. Sokolov B.Y., Talabov M.D., Sharipov M.Z. Domain structure of a thin single-crystal plate of terbium iron garnet near the magnetic compensation point. Phys. Solid State, 2013, 55 (2), P. 314–320.

18. Sharipov M.Z., Hayitov D.E., Rizoqulov M.N., Islomov U.N., Domain structure and magnetic properties of terbium ferrite-garnet in the vicinity of the magnetic compensation point. Eurasian Phys. Tech. J., 2019, 16 (2), P. 21–25.

19. Sharipov M.Z., Hayitov D.E. Magneto-Optical Properties of Rare-Earth Terbium Ferrite-Garnet in the Near the Temperature of the Orientation Phase Transition. Mater. Sci. Forum, 2022, 1049, P. 186–191.

20. Niyazov L.N., Sokolov B.Y., Sharipov M.Z. Specific features of spontaneous reorientation of the magnetic moment in a single-crystal thin plate of the iron garnet Tb0.2Y2.8Fe5O12. Physics of the Solid State, 2012, 54 (9), P. 1806–1812.