WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Авторефераты по темам  >>  Разные специальности - [часть 1]  [часть 2]

Исследование электрических и магнитных свойств твердых растворов халькогенидов марганца

Автореферат кандидатской диссертации

 

На правах рукописи

 

 

Бандурина Ольга Николаевна

 

Исследование электрических и магнитных свойств твердых растворов халькогенидов марганца

 

01.04.07 – физика конденсированного состояния

 

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

 

 

 

Красноярск – 2009
Работа выполнена в Сибирском государственном  аэрокосмическом университете им. акад. М.Ф. Решетнева

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук,

профессор Аплеснин Сергей Степанович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук,

профессор Овчинников Сергей Геннадьевич,

доктор физико-математических наук,

профессор Захаров Юрий Владимирович

Ведущая организация:

Сибирский Федеральный университет (г. Красноярск)

Защита состоится  «16» декабря 2009 г. в __16__ час. на заседании диссертационного совета  Д 212.179.04 при Омском государственном университете им. Ф.М. Достоевского по адресу: 644077, г. Омск, пр. Мира, 55а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного университета.

Автореферат разослан  «     »                            2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат физико-математических наук                                                         Г.А. Вершинин


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. В последнее время активно развивается новое научное направление – спинтроника, в которой используются преимущества как энергонезависимой магнитной памяти, так и быстродействующих электрических систем обработки информации. В спинтронике для преобразования электрического сигнала используется не только зарядовая степень свободы электрона, но также и спин, что позволяет создавать принципиально новые спинтронные устройства, такие как быстродействующая оперативная память в компьютерах, сенсоры, преобразователи магнитной информации в оптический сигнал и т.д. В связи с этим большое внимание уделяется поиску, созданию и исследованию новых магнитных материалов, в которых сосуществуют магнитные, электрические и оптические свойства, связанные с особенностями их кристаллического упорядочения и электронно-зонного строения в зависимости от состава. К таким веществам относятся неупорядоченные системы, в которых наблюдаются переходы металл-диэлектрик (ПМД) и эффект колоссального магнитосопротивления (КМС).

Исследование  таких материалов является актуальной задачей, так как дает возможность с помощью электрического поля управлять их магнитными свойствами и, наоборот, осуществлять модуляцию электрических свойств магнитным полем. В перспективе такие материалы могут найти широкое техническое применение  в качестве сенсоров, датчиков, устройств записи-считывания информации. Так в спиновой электронике преобразование информации происходит через изменение намагниченности    в  изменение электрического напряжения, а в мультиферроиках связь между магнитной и электрической подсистемами проявляется через магнитоэлектрический эффект.

Общая черта, которая объединяет мультиферроики и материалы для спинтроники, это взаимосвязь магнитных, электрических, оптических и других физических свойств. В связи с этим поиск и исследование нового класса материалов, обладающих такой взаимосвязью, представляет актуальную задачу. Полупроводники на основе халькогенидов марганца обнаруживают магнитные и структурные фазовые переходы, переход металл-диэлектрик, колоссальное магнитосопротивление и ряд эффектов, связанных с  изменением электронной структуры под действием внешних факторов, что обусловлено особенностями кристаллического упорядочения и электронного строения этих веществ в зависимости от состава.

Замещение иона марганца хромом и ванадием, имеющим, соответственно, один и два электрона в t2g области индуцирует орбитальное вырождение электронов для V, Cr и дырочное вырождение для Mn, а замещение ионами Fe, Co  также приводит к вырождению орбиталей. Вырождение может быть снято, как за счет упорядочения орбиталей так и за счет кулоновского взаимодействия электронов, расположенных на разных орбиталях, а также вследствие электрон-фононного и спин-орбитального взаимодействия. В результате свойства этих соединений зависят от гибридизации, сильных электронных корреляций, орбитального и зарядового упорядочения. Поэтому актуально определение относительной роли этих эффектов, механизмов их взаимосвязи и создание методологии целенаправленного синтеза материалов с заданными свойствами.

Цель работы: экспериментальное исследование взаимосвязи магнитных, упругих и электрических свойств халькогенидов марганца.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

  • Исследование корреляции между магнитными, упругими и электрическими свойствами в твердых растворах СoxMn1-xS в результате комплексного исследования физических свойств в широкой области температур и магнитных полей;
  • Определение оптимальных концентраций в анион - замещенном селениде марганца MnSe1-xTex, при которых достигается  максимальная  величина магниторезистивного эффекта, выяснение  влияния кристаллической и  магнитной  структуры на транспортные  свойства;
  • Интерпретация полученных результатов на основе модельных представлений и описание механизма взаимосвязи электрических и магнитных свойств.

                                Научная новизна   Впервые проведены систематические исследования  электрических, магнитных и диэлектрических  свойств твердых растворов халькогенидов марганца в широком интервале температур и магнитных полей. 

Исследована диэлектрическая проницаемость твердых растворов    СoxMn1-xS (х = 0,05; 0,15 ) в в зависимости от внешнего электрического и магнитного полей на разных частотах в интервале температур 80 К -300 К. Найдено изменение диэлектрической проницаемости во внешнем магнитном и электрическом  полях в области образования спонтанного магнитного момента и в области  температур  T = (230 - 250) K.

Для анион-замещенных халькогенидов MnSe1-хTeх  обнаружено колоссальное магнитосопротивление. С целью выяснения механизма этого эффекта  проведены измерения коэффициента теплового расширения, постоянной решетки,  намагниченности при охлаждении в магнитном поле и в нулевом магнитном поле в области температур 80 К -  600 К. В результате проведенных исследований установлена корреляция электрических и магнитных свойств.

Положения, выносимые на защиту:

    •  Обнаружен слабый ферромагнитный момент и переход ферромагнетик-антиферромагнетик по температуре в твердых растворах СoxMn1-xS. 
    • Найдены аномалии относительного  изменения диэлектрической проницаемости в магнитном поле в зависимости от температуры  в  СoxMn1-xS.
    • Установлены температуры, при которых наблюдаются значительные изменения  в магнитных, электрических и упругих свойствах в     СoxMn1-xS.
    • Исследованы механизмы взаимосвязи магнитных и электрических свойств и предложена модель орбитального упорядочения.
    • Определен состав твердого раствора MnSe1-xTex с максимальной величиной эффекта колоссального магнитосопротивления. Обнаружено магнитосопротивление в парафазе и предложена модель взаимодействия спиновых поляронов с  магнитными  моментами  кластеров.

Научная и практическая ценность работы:

Научную ценность представляет оригинальность экспериментальных результатов, которые дают новые представления о магнитной и кристаллической структурах твердых растворов MnSe1-xTex. Необычность заключается в том, что при замещении селена теллуром в селениде марганца, имеющем  ГЦК и гексагональную структуру, твердый раствор имеет только ГЦК решетку. Обнаружено влияние магнитного поля на транспортные характеристики выше температуры магнитного упорядочения, включая комнатные.  Эти соединения с магниторезистивными эффектами в перспективе могут найти широкое техническое применение в качестве сенсоров, датчиков, устройств записи-считывания информации. Изменение диэлектрической проницаемости в магнитном поле может найти применение при изготовлении СВЧ приборов. Возможное в перспективе практическое приложение этих материалов может быть расширено за счет тесной взаимосвязи магнитных, орбитальных, зарядовых и спиновых степеней свободы.

Достоверность результатов подтверждается  согласием экспериментальных результатов, полученных при исследовании  магнитных, электрических и структурных свойств различными методами и  качественным согласием с теоретическими расчетами кристаллической и магнитной структур твердых растворов MnSe1-xTex   и СoxMn1-xS.

Личный вклад  автора заключается в проведении измерений транспортных свойств и диэлектрической проницаемости,  обработке  и интерпретации полученных  результатов, подготовке их к публикации, участии в написании статей и докладов.  

Апробация диссертационной работы. Основные результаты исследований по теме диссертации были представлены и обсуждались на следующих симпозиумах, конференциях и совещаниях: Международная конференция «Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах» (Махачкала, 2007); Euro-Asian Symposium «Magnetism on a Nanoscale» (Kazan, 2007); Московский международный симпозиум по магнетизму MISM (Москва, 2008); Международный симпозиум «Упорядочение в Минералах и Сплавах» (Ростов-на-Дону, п. Лоо, 2008, 2009); Международная конференция «Новые магнитные материалы в микроэлектронике» (Москва, 2009); Международная научная конференция «Решетневские чтения» (Красноярск, 2007, 2008, 2009).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, из них в рецензируемых журналах 3 статьи. Список публикаций приведен в конце автореферата.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав основного текста, заключения, включает 62 рисунка, а также список литературы из 149 наименований.

ОБЗОР СОДЕРЖАНИЯ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цели исследования, показана научная новизна и практическая значимость результатов работы, описана структура диссертации.

Первая глава является обзорной. В ней  анализируются магнитные структуры и свойства твердых растворов MехMn1-xS (Me = Cr, Fe, V).  Рассматриваются возможные магнитные состояния в модели двухкомпонентного сплава AxB1-x на ГЦК решетке с различными величинами обменных взаимодействий в 1-ой и 2-ой координационных сферах. Приводятся фазовые диаграммы магнитных структур и особенности магнитных свойств на плоскости температура- концентрация.

Особое внимание уделено рассмотрению механизмов магнитосопротивления и формирования взаимосвязи различных физических свойств, в особенности магнитных и электрических.

Детально описаны магнитная и кристаллическая структура MnSe и MnTe. Рассмотрены транспортные и динамические свойства этих соединений и их изменение под действием внешнего магнитного поля.

Вторая глава посвящена описанию технологии  приготовления твердых растворов, методик исследования электрических, диэлектрических,  магнитных свойств MnSe1-xTex и СoxMn1-xS.

Образцы твердых растворов MnSe1-xTex и СoxMn1-xS – поликристаллы, полученные по технологии твердофазного синтеза. Твердые растворы

Подпись: M, emu/gПодпись: M, emu/gПодпись: M, emu/gСoxMn1-xS получены в Институте физики СО РАН.  Твердые растворы MnSe1-xTex приготовлены в Институте физики твердого тела и  полупроводников НАН Беларуси (г. Минск). На исследуемых образцах проведен рентгеноструктурный анализ. Рентгенограммы снимались при комнатной температуре (300 К) в монохроматическом CuK?-излучении на дифрактометре ДРОН-3. Измерения удельного сопротивления были проведены четырехзондовым методом при постоянном токе в интервале температур        77 К – 300 К на образцах размером 4*1,5*6 мм в нулевом магнитном поле и в поле до 10 kOe. Измерения диэлектрических свойств в данной работе проведены на прецизионном измерителе иммитанса – LCR-819-RLC. Точность измерений составляет 0,05 %. В этой работе измерения проведены на частотах 1 кГц, 10 кГц, 100 кГц в интервале температур 77 К – 270 К в нулевом магнитном поле и в поле 5 kOe. Погрешность стабилизации и измерения температуры составляет  0,1 К. Статические магнитные измерения выполнены на автоматизированном магнитометре со свехпроводящим соленоидом и вибрационном магнитометре. Погрешность статических магнитных измерений равна 10-7 Гс см3/г.

Третья глава посвящена изучению магнитных, электричес-ких свойств твердых растворов СoxMn1-xS и их взаимосвязи. Синтезированные образцы CoхMn1-хS имеют антиферро-магнитный тип упорядочения, на что указывают максимумы в температурном поведении восприимчивости. Температура Нееля возрастает от TN = 150 K (х = 0) до TN  = 196 K (х = 0,4). Парамагнитная температура Кюри также  увеличивается по  абсолютной величине  от ? = ?440 К (х = 0) до             ? = ?520 К  (х  = 0,4 ).

В магнитоупорядоченной области ( Т < ТN ) для этих образцов наблюдается образование спонтанного магнитного момента, существование которого в системе твердых растворов CoхMn1-хS в магнитоупорядоченной области (Т < ТN ) подтверждается наличием петли гистерезиса (Рис.1).

Состав с х = 0,05 обладает достаточно большой величиной намагниченности М ~  0,8 emu/g вплоть до температуры 120 К в поле 0,5 kOe. Для образцов этого состава температура образования спонтанного магнитного момента является максимальной. В приближении молекулярного поля для ГЦК решетки со 2-м типом упорядочения найдено обменное поле НЕ = JzSz = 90 К. Для изотропного AF величина намагниченности линейна по полю M = H/Jz и при температурах T < ТС вклад спиновых моментов в результате скоса подрешеток значительно меньше по сравнению с экспериментальными данными, так     для     Т = 4,2 К,     Н = 8 kOe величина намагниченности Мth = 0,45 ?B, Mex = 1,2 ?B . На Рис. 1b даны теоретические зависимости М(Н) и экспериментальные данные. Возможно, что разница  Mex – Мth обусловлена орбитальной намагниченностью кластеров Mn-Co-Mn, которая исчезает при нагревании выше ТС = 120 K.

Для состава  Cо0.15Mn0.85S измерения намагниченности в магнитных полях H = 13, 100, 500 Oe обнаруживают зависимость от предыстории образца при Т < 250 K. Так, величина намагниченности образца, охлажденного в нулевом магнитном поле, значительно меньше, чем охлажденного в поле Н=100 Oe (Рис. 2 ). Поведение зависимостей М(Т) практически совпадает при увеличением магнитного поля до 500 Oe. В температурной зависимости М(Т) можно выделить две температуры: 120 К и 50 К, при которых намагниченность резко возрастает. При  температуре 240 К также наблюдается увеличение намагниченности.

Рисунок 2 – Температурные за-висимости намагниченности при охлаждении в магнитном поле Н = 100 Ое (FC – 1) и нулевом  магнитном поле  (ZFC – 2) для образца Co0,15Mn0,85S

 Подпись: M, emu/gПодпись: Tc(x)/Tc,max 


Рисунок 3 – Значения  темпе-ратуры, при которой обра-зуется спонтанный магнит-ный момент Тс(x)/Tc,max, нормированы на соответст-вующие величины для x = 0,05 от концентрации ионов кобальта. Теоретические ре-зультаты изображены сплош-ной линией.

 


Аномалии в температурном поведении намагниченности объясняются орбитальным упорядочением, возникающим в результате изменения концентрации электронов на t2g орбиталях при замещении ионов марганца кобальтом. Изменение температуры образования спонтанного момента обусловлено орбитальными магнитными моментами ионов кобальта и определяется по формуле Тс(х)/Тс,max = Zx(1-x)Z-1, где Z =12 – число ионов  марганца, окружающих ион кобальта.  Максимальная температура Тс,max наблюдается для х = 0,05 и х = 0,15  (из экспериментальных данных), а согласно расчетам для х = 0,07. Между вычисленными и экспериментальными данными для нормированной температуры, при которой образуется спонтанный момент, наблюдается качественное согласие, что видно из рисунка 3.

Диэлектрические свойства твердых растворов CoхMn1-хS исследовались при измерениях реальной  и мнимой частей диэлектрической проницаемости в области температур 80 K < T < 300 K в магнитном и    в   постоянном электрическом полях, в зависимости от предыстории образца. Здесь можно выделить две области температур: при Т < 200 K диэлектрическая проницаемость не зависит от частоты, а при T > 200 К реальная часть диэлектрической проницаемости уменьшается, а мнимая растет. Постоянное магнитное поле меняет величину диэлектрической проницаемости в сторону ее уменьшения.

На рисунке 4 представлены зависимости реальной  и мнимой частей диэлектрической проницаемости для   Co0,15Mn0,85S. Зависимости имеют немонотонный характер.  При T ~ 120 K для состава с х=0,05 наблюдается небольшой рост диэлектрической проницаемости, который наиболее отчетливо проявляется при вычислении производной d?(T)/dT.

Подпись: Re(?)Подпись: Im(?) 


На рисунке 5 приведены относительные изменения диэлектрической проницаемости, измеренные в нулевом магнитном поле и в поле H = 5 kOe. Найдены два максимума в поведении кривых: при T1 ~ 125 K и T2 ~ 225 K. Величина эффекта составляет 3% и 15% для температур T1  и T2 соответственно, которые коррелируют с температурами, при которых образуется слабый спонтанный магнитный момент в CoxMn1-xS и   ферромагнитное упорядочение орбитальных магнитных моментов.

Подпись: Im(?(H=0))-Im(?(H))/Im(?(H))Подпись: Re(?(H=0))-Re(?(H))/Re(?(H))

Рисунок 5 – Относительное изменение реальной (а) и мнимой (b) части диэлектрической проницаемости в магнитном поле Н = 5 kOe от температуры на частоте f = 1 kHz в нулевом электрическом поле (1) и в поле = 5 V/cm (2) для Co0,05Mn0,95S

 

Вольтамперные характеристики обнаруживают слабую нелинейную зависимость,  наклон которой меняется с ростом внешнего магнитного поля в интервале температур 170 К < T < 240 K.

С понижением температуры наблюдается гистерезис в вольтамперных характеристиках с возникновением постоянной разности потенциалов в отсутствие тока, что характерно для ферроэлектриков.

С целью выяснения механизма возникновения аномалий в диэлектрических свойствах ?(Н,Т) проведены измерения  коэффициента теплового расширения и постоянной решетки от температуры. Зависимости, изображенные  на рисунке 6,  обнаруживают  ряд  аномалий  для  ?(Т): при  Т = 125 К и при температуре  Т=175 К  (х = 0,15). Для состава с концентрацией   х = 0,05 температуры, соответственно, равны 120 К  и 165 К, т.е.  изменения   в  коэффициенте  теплового расширения происходят в области температуры Нееля.

С ростом концентрации кобальта усиливается магнитоупругое взаимодействие, в результате решетка деформируется, и постоянная решетки нелинейным образом уменьшается при понижении температуры (Рис. 6b). Отличие в температурном поведении коэффициента теплового расширения ?(T) и постоянной решетки а(Т) при Т > 230 K , возможно, обусловлено двумя факторами: искажением решетки, либо образованием упругих напряжений, возникающих в результате электрон-фононного взаимодействия.

Подпись: a, AПодпись: ?, 1/K?10-5Подпись: Рисунок  6 – Температурная зависимость коэффициента теплового расширения (а) и постоянной решетки (b) для образца Cо0,15Mn0,85S.


Для уточнения необходимо рассмотреть спектры комбинационного рассеяния. На рисунке 7 приведены  спектры измеренные в интервале температур 160 – 300 К  в области частот 100 см-1 –  750 см-1. На частотах ?1 = 115 см-1, ?2 = 273 см-1 - 298 см-1, ?3 = 840 см-1 наблюдаются активные Рамановские моды. Линия на частоте ?1 очень узкая,  ее форма и частота от температуры не зависит. При понижении температуры ниже T = 230 K пик на частоте ?2 становится асимметричным и ниже T = 210 K наблюдается смещение частоты на 6 см-1. Изменение положения главного пика по частоте в зависимости от температуры изображено на вставке к рисунку  7.  Интенсивность моды уменьшается на 20 % и становится температурно-независимой при Т > 220 K, что указывает на существенную роль электрон-фононного взаимодействия.

Согласно литературным данным [1] положение двух пиков на частоте ?1 = 115 см-1 и ?2 = 260 см-1 в  халькогенидах марганца с кубической структурой обусловлено поперечной оптической модой и комбинацией оптических и акустических фононных мод, соответственно.

Зависимость магнитных характеристик от температуры и от предыстории образца определена  методом ЭПР. Эффективная величина g - фактора gef f = h?/(?BHres) резко возрастает в интервале температур 150 К < T < 180 K.  Для T < 150 K       g - фактор практически не зависит от температуры и принимает значение порядка geff ~ 1,3, а в интервале температур 190 К  < T < 280 K величина g-фактора варьируется в пределах 1,7-1,75.

Подпись: Intensity, ar. un. unitsM, emu/gПодпись: ?, cm-1 


Подпись: Рисунок 7 – Рамановские спектры при разных темпе-ратурах: 160 К (1), 210 К (2), 230 К (3), 250 К (4) в зависи-мости от частоты для образца Co0,15Mn0,85S. На вставке представлен сдвиг частоты ?2 Рамановской моды от температуры.

В образце, охлажденном во внешнем магнитном поле Н = 5  kOe, интенсивность сигнала ЭПР уменьшается примерно в два раза в магнитоупорядоченной области и на 30% - 40% при температурах выше температуры Нееля. Данное поведение объясняется упорядочением орбитальных моментов и их взаимодействием со спиновыми моментами. Отсутствие зависимости ширины линии (рис.8b) от температуры в области   190 К < T < 270 K свидетельствует о том, что основным механизмом спиновой релаксации является спин-орбитальное взаимодействие.

Экспериментальные результаты объясняются в модели упорядоченного расположения электронов на t2g орбиталях ионов кобальта и марганца и их взаимодействием с упругой и магнитной подсистемой. В рамках данной модели оценено влияние концентрации кластеров Mn-Co-Mn и величины эффективного орбитального взаимодействия на температуру образования спонтанного магнитного момента, изменение  параметра решетки и  поведение орбитальных корреляционных функций  во внешнем магнитном поле.

В четвертой главе представлены результаты исследования магнитных и электрических свойств твердых растворов MnSe1-xTex. Халькогениды марганца являются антиферромагнетиками. MnTe имеет кристаллическую структуру  гексагонального (NiAs) типа.  MnSe обнаруживает структурный фазовый переход из кубической (NaCl) в гексагональную (NiAs) фазу в области температур 248 K < T < 266 К.   Ниже  248 K наблюдается сосуществование фаз в образце: 30 % образца находится в гексагональной фазе, а остальные 70 % образца находятся в кубической фазе [2]. Температура магнитного  фазового перехода, определенная по данным нейтронографических исследований, для MnSe в кубической модификации равна TNc =135 K [3].  Для гексагональной фазы она совпадает с температурой структурного перехода Тs =272 К. Это полупроводники с р?типом проводимости, имеющие энергетическую щель в спектре одночастичных электронных возбуждений соответственно для MnSe (2,0 – 2,5 eV) и MnTe (0,9 – 1,3 eV) [4].

Рентгеноструктурный анализ позволяет сделать вывод о том, что для образцов MnSe1-xTex в интервале концентраций 0 ? х ? 0,4 существуют твердые растворы с элементарной ячейкой типа NaCl. С увеличением концентрации теллура  наблюдается  монотонный рост постоянной решетки.

Подпись: (?(Н)–?(0))/?(Н), %Подпись: ?, ohm*cm 

Измерения удельного электросопротивления при многократном циклировании по температуре обнаружили температурный гистерезис для составов x = 0,1; 0,2; 0,3. При охлаждении от 300 К до 200 К гистерезиса нет, т.е. прямой и обратный ход зависимости R(T) совпадают. Однако, при охлаждении до 150 К и ниже появляется гистерезис в области температур близких к 150 К. При T < TN наблюдается отклонение от линейной зависимости ln? = ln?0 + ?E/T, изображенной на рисунке 9а. Величина энергии активации  ?E  ?  ( 0.07-0.09 )  eV.

В случае твердых растворов MnSe1-xTex немонотонное поведение магнитосопротивления от температуры в парафазе для двух концентраций x = 0,1; х = 0,2 коррелирует с гистерезисом  магнитной восприимчивости в интервале температур ?Т ? 120 К – 340 K, обнаруженным при нагревании и охлаждении этих образцов в магнитном поле (рис.11).

Относительное изменение магнитного момента (Мcooling(T)?  Mheating(T))/Мcooling(T) ~ 0,06 измеренное в магнитном поле Н = 7,7 kOe достигает максимальной величины для состава с х =  0,2. Замещение селена теллуром способствует уменьшению парамагнитной температуры Кюри по абсолютной величине с ростом х от ?Р = -350 К для х = 0,1 до ?Р = -270 К для х = 0,4. Подобным образом изменяется и величина магнитного момента, принимая значения ? ~ 5,50 ?В для MnSe0,9Te0,1 и ? ~ 5,13 ?В для MnSe0,6Te0,4. Температура Нееля у исследованных образцов плавно уменьшается от 132 К у MnSe0,9Te0,1  до 110 К у состава MnSe0,6Te0,4. 

Подпись: 1/c?10-2Подпись: M, Emu/gВ MnTe с гексагональной структурой формируется антиферромагнитный порядок, состоящий из спинов, ферромагнитно упорядоченных в гексагональной плоскости и направленных антипараллельно в соседних плоскостях при температурах T < TN. В областях дислокации анионов теллура по узлам решетки твердых растворов MnSe1-xTex возможно формирование магнитных кластеров с нечетным числом ферромагнитных слоев обладающих достаточно большой величиной магнитного момента.

Подпись: Рисунок 11 – Температурные за-висимости магнитной восприим-чивости для образца MnSe0,8Te0,2. На вставке: зависимость намаг-ниченности от температуры для того же образца

,

Проведенные расчеты дают оценку размеров кластеров  ~ 5 нм, составляющих порядка 1 % от массы твердого раствора MnSe1-xTex.

Естественно, что образованные таким образом кластеры хаотически распределены по образцу. Очевидно также, что электроны, локализованные в кластерах, способны к туннелированию с   различной   вероятностью при параллельной и антипараллельной направленности магнитных моментов в кластерах. Внешнее магнитное поле стремится выстроить магнитные моменты кластеров по полю и тем самым усиливает туннелирование электронов и уменьшает сопротивление.

Влияние структурных искажений на перестройку электронной структуры и, соответственно, на транспортные свойства исследовались методом ЭПР и   по температурным зависимостям коэффициента теплового расширения.

Измерения магнитного резонанса проведены в интервале температур 100 К – 300 К для трех составов с концентрацией х = 0; 0,2; 0,4. Для х = 0; 0,2 g-фактор практически не зависит от температуры и принимает значение порядка geff = (2 - 2,05 ),  что указывает на отсутствие структурных искажений, а для х = 0,4 величина g-фактора растет от g  = 1,95 до g = 2,05 при повышении температуры. В магнитоупорядоченной области  интенсивность сигнала ЭПР повышается с ростом концентрации и составляет I(T)/I(TN) ? 0,01 для х = 0,2 и 0,06 для x = 0,4, что указывает на увеличение концентрации спиновых поляронов и коррелирует с изменением величины сопротивления.

Подпись: a, AПодпись: ?, 1/К?10-5 


Коэффициент теплового расширения практически не зависит от температуры, а постоянная решетки линейно растет  при увеличении температуры (Рис.12), что свидетельствует об отсутствии корреляции  между упругими свойствами и проводимостью. Анализ рентгенограмм указывает на однофазность твердых растворов вплоть до температуры Нееля.

ИК спектр  дает информацию о ширине запрещенной зоны и о структуре валентной зоны и зоны проводимости вблизи их экстремумов. Максимум поглощения c энергией h? = 9700 cm-1 соответствует ширине запрещенной зоны. Вблизи дна зоны проводимости наблюдаются дополнительные максимумы поглощения с h?1 = 6300 cm-1 и с h?2 = 8700 cm-1, расположенные по энергии ниже дна зоны проводимости на величину ?E1 = 3400  cm-1 и ?E2 = 1000 cm-1. Возможно, эти линии соответствуют связанным состояниям электрона и дырки, которые образуют водородоподобный спектр экситонов. Энергии линии спектра описываются формулой Еn = 1,2-0,42/n2 eV [5] c энергией связи экситона Еb = 0.42 eV. Радиус экситона порядка R1 = 0,8 нм = 1,4?a, где  a- постоянная решетки.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ:

  1. В магнитоупорядоченной области ниже ТN в сульфидах СоxMn1-xS обнаружен спонтанный магнитный момент. В зависимости М(Т) можно выделить три температуры 240 К, 120 К и 50 К, при которых намагниченность резко возрастает.
  2. В твердых растворах СоxMn1-xS при концентрациях х = 0,05 и х = 0,15 найдено изменение диэлектрической проницаемости в магнитном поле в пределах  3% при температурах T ~ 120 K и 15% при T ~ (230 – 250) K, величина которого увеличивается с ростом электрического поля.
  3. Найдена  взаимосвязь между магнитными, электрическими и упругими свойствами в СоxMn1-xS при температурах Т ~ 120 К и Т ~ 240 К. Выявлены аномалии в температурных зависимостях постоянной решетки, диэлектрической проницаемости и магнитной восприимчивости.
  4.  Обнаружено усиление  магнитоупругой связи с ростом концентрации кобальта  в СоxMn1-xS и независимость ширины линии ЭПР от температуры выше температуры Нееля, которые объясняются   орбитальным упорядочением электронов.
  5. В результате комплексных исследований магнитных и упругих свойств в твердых растворах MnSe1-xTex обнаружен структурный  переход по концентрации от двухфазного состояния к однофазному с  кубической кристаллической структурой типа NaCl.   
  6. Найден  магниторезистивный  эффект для составов       MnSe1-xTex с х = 0,1; 0,2 с максимальной величиной порядка 100 % в окрестности температуры Нееля для х = 0,1. Предложен механизм эффекта, связанный с  рассеянием спиновых поляронов на локализованных спинах кластеров.

 

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

    1. Ryabinkina L.I., Romanova O.B., Aplesnin S.S., Bandurina O.N. Transport properties and ferromagnetism in antiferromagnetic sulphide compounds CoxMn1–xS // Euro-Asian Symposium «Magnetism on a Nanoscale». Abstract book.  Kazan, Russia, 2007.  Р. 129
    2. Бандурина О.Н., Аплеснин С.С. Ферромагнитное упорядочение орбиталей в твердом растворе сульфида марганца // Решетневские чтения: Материалы ХI Международной науч. конф. Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2007. С.160-161
    3. Аплеснин С.С.,  Рябинкина Л.И., Романова О.Б., Великанов Д.А., Балаев Д.А., Балаев А.Д., Янушкевич К.И., Галяс А.И., Демиденко О.Ф., Бандурина О.Н. Транспортные свойства и ферромагнетизм сульфидных соединений СoxMn1-xS // ЖЭТФ, 2008. Т.133. С. 875-883
    4. Raybinkina L.I., Romanova O.B., Aplesnin S.S., Balaev D.A., Demidenko O.F., Yanushkevich K.I., Bandurina O.N. Transport and magnetic properties of MnSe and MnTe // MISM. Book of Abstracts. Moskow, 2008. P. 610-611
    5. Аплеснин C.C., Рябинкина Л.И., Романова О.Б., Бандурина О.Н., Горев М.В., Балаев А.Д., Еремин Е.В. Спин-стекольные эффекты в твердых растворах СохМn1-xS // 11-й международный симпозиум "Упорядочение в Минералах и Сплавах". Труды Симпозиума. Ростов-на-Дону, п. Лоо, 2008. C. 48-50
    6. Бандурина О.Н., Аплеснин С.С. Изменение диэлектрической проницаемос-ти в магнитном поле в твердом растворе Co1-xMnxS // Решетневские чтения: Материалы ХII науч. конф. Сиб. гос аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2008.  C. 533-534
    7. Аплеснин С.С., Бандурина О.Н., Романова О.Б., Рябинкина Л.И., Еремин Е.В. Магнитоэлектрический эффект в Co1-xMnxS // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. ак. М.Ф. Решетнёва. Вып. 1(22). Красноярск, 2009. C. 41-45
    8. Аплеснин C.C., Рябинкина Л.И., Романова О.Б., Бандурина О.Н., Горев М.В., Балаев А.Д., Еремин Е.В. Спин-стекольные эффекты в твердых растворах Co1-xMnxS // Известия РАН. Серия Физическая, 2009. Т.73. № 7. С. 1021-1023
    9. Аплеснин C.C., Бандурина О.Н., Рябинкина Л.И., Романова О.Б.,  Еремин Е.В., Горев М.В., Воротынов А.М., Балаев Д.А., Семенов С.В., Васильев А.Д.,  Галяс А.И., Демиденко О.Ф., Маковецкий Г.И., Янушкевич К.И. Взаимосвязь магнитных и электрических свойств халькогенидов MnSe1-хTex // II международный, междисциплинарный симпозиум «Среды со структурным и магнитным упорядочением» (multiferroics-2). Труды Симпозиума. Ростов-на-Дону, п. Лоо, 2009. C. 13-16
    10.  Аплеснин C.C., Бандурина О.Н., Рябинкина Л.И., Романова О.Б., Еремин Е.В., Галяс А.И., Демиденко О.Ф., Маковецкий Г.И., Янушкевич К.И.  Магниторезистивные  свойства  твердых растворов MnSe1-хTex // Международная конференция «Новые магнитные материалы в микроэлектронике». Труды конференции. Москва, 2009. С. 630-632
    11. Аплеснин С.С., Бандурина О.Н., Воротынов А.М., Крылов А.В.  Динамические свойства мультиферроиков в твердых растворах CoxMn1-xS // IV Международная научная конференция. ФТТ-2009. Труды конференции. Минск, 2009. С. 51-52
    12. Бандурина О.Н., Аплеснин С.С., Романова О.Б., Янушкевич К.И., Еремин Е.В. Электрические свойства твердых растворов MnSe1-xTex // Решетневские чтения: Материалы ХIII науч. конф. Сиб. гос аэрокосмич.ун-т. Красноярск, 2009. C. 533-534

 

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

  1.  Milutinovi A., Popovi Z. V., Tomi N.  and Devi S. Raman Spectroscopy of Polycrystalline - MnSe// Materials Science Forum, 2004. V. 453-454.              P. 299-304.
  2. D’Sa Efrem J.B.C., Bhobe P.A., Priolkar K.R., Das A., Krishna P.S.R., Sarode P.R., and Prabhu  R.B. Low  Temperature magnetic structure of MnSe // Pramana. J. Phys., 2004. V.63. №2.  Р. 227-232
  3. Маковецкий Г.И., Галяс А.И. Нейтронографическое исследование структурных и магнитных фазовых переходов в селениде марганца // ФТТ, 1982.  Т.24.  № 9. С. 2753-2756
  4. Youn S.J., Min B.I., Freeman A.J. Crossroads electronic structure of MnS, MnSe, and MnTe// Phys. Stat. Sol. (b). 2004.  V.241. Р.1411-1414
  5.   Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. М.: Наука, 1978. 791 с.

 

Подписано в печать     .      .2009.

Формат 60x84/16. Уч.-изд. л.  

Тираж          Заказ №    

Отпечатано в типографии СибГАУ.

660014, Красноярск

  

 
Авторефераты по темам  >>  Разные специальности - [часть 1]  [часть 2]



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.