Effect of d-f Exchange Interaction on the Optical Properties of Fe/Gd2O3 Nanostructure in the Infrared Spectral Range

Abstract

У роботі розглянуто вплив d-f обмінної взаємодії, що відбувається в приконтактній зоні шарів в оксидних наноструктурах Fe/REM, на особливості їхніх ІЧ-спектрів поглинання. Проведено порівняння частот, енерґій і силових констант коливань атомних зв’язків Gd-O і Yb-O в наноструктурах Fe/Gd2O3 і Fe/Yb2O3 зі значними і малими значеннями ефективного магнітного моменту РЗМ відповідно. Показано, що різниця між спектрами поглинання цих наноструктур і розрахованими за ними властивостями свідчить про наявність впливу d-f обмінної взаємодії на коливання зв'язку Gd-O і його відсутність для Yb-O. Для зв'язку Gd-O збільшення енергії коливань за рахунок d-f обмінної взаємодії становить 0,02-0,11 %. Показано, як вплив обмінної взаємодії можна врахувати у відомому квантовомеханічному описі ангармонічності коливань осцилятора, ввівши додатковий член у вираз для його потенціальної енергії. Такий підхід дає змогу показати, що обмінна взаємодія d-f також впливає на величину відстані між ядрами атомів Gd-O.

The paper deals with the influence of d-f exchange interactions occurring in the contact zone of layers in Fe/REM oxide nanostructures on the features of their infrared absorption spectra. The time-distances, energies and force constants of vibrations of Gd-O and Yb-O atomic bonds in Fe/Gd2O3 and Fe/Yb2O3 nanostructures with significant and small values of the effective magnetic moment of REM, respectively, have been compared. It is shown that the difference between the absorption spectra of these nanostructures and the properties calculated from them indicates the presence of the influence of the d-f exchange interaction on the vibrations of the Gd-O bond and its absence for Yb-O. For the Gd-O bond, the increase in vibrational energy due to the d-f exchange interaction is 0.02-0.11 %. It is shown how the influence of the exchange interaction can be taken into account in the well-known quantum mechanical description of the anharmonicity of the oscillator vibrations by introducing an additional term in the expression for its potential energy. This approach makes it possible to show that the d-f exchange interaction also affects the value of the distance between the nuclei of Gd-O atoms.