WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 1998, том 40, № 1 Кинетические свойства антиферромагнитных сплавов ГЦК-железа © Г.А. Такзей, И.И. Сыч, С.В. Черепов Институт магнетизма Академии наук Украины, 252680 Киев, Украина (Поступила в Редакцию 19 июня 1997 г.) Исследованы электросопротивление и термоэдс ГЦК-сплавов FexNi80-xCr20 в области концентраций 44 x 70 at.%. Показано, что при низких температурах для них характерно наличие минимумов на температурных зависимостях электросопротивления. Возникновение указанных аномалий связывается с возникновением щели в энергетическом спектре электронов проводимости в результате возникновения в сплавах дальнего или ближнего антиферромагнитного порядка. Изучено влияние магнитного поля на магнитные состояния, возникающие во фрустрированных антиферромагнитных сплавах. Построена H-T магнитная фазовая диаграмма.

В ряде работ [1,2] показано, что при изменении Электросопротивление измеряли на постоянном токе концентрации легирующих элементов в ГЦК–сплавах по стандартной четырехпроводной схеме в двух напраFeNiMn и FeNiCr различных квазибинарных разрезов влениях тока, что позволило избежать влияния паразитпроисходит концентрационный фазовый переход от со- ных эдс на результаты измерений.

стояния с дальним ферромагнитным (ФМ) к состо- Температурные зависимости термоэдс сплавов измеряянию с дальним антиферромагнитным (АФМ) поряд- ли в интервале температур 9–200 K относительно свинца ком. Существенно, что вблизи соответствующих крити- чистотой 99.999.

ческих концентраций смены типа магнитного порядка в указанных сплавах возникает состояние спинового стекла (СС).

Представляет интерес выяснить, каким образом возникновение перечисленных выше магнитных фаз и состояний в указанных сплавах может отразиться на их кинетических свойствах. Особый интерес представляют ГЦК–сплавы FexNi80-xCr20, имеющие богатую магнитную фазовую диаграмму (рис. 1) [3]. Именно для этих сплавов в области больших концентраций железа впервые обнаружен и изучен возвратный температурный переход АФМ–СС для фрустрированного гейзенберговского магнетика [3,4].

В настоящей работе исследованы электросопротивление и термоэдс сплавов FexNi80-xCr20 в широкой области составов и с привлечением данных магнитных исследований показано, что аномальное поведение их кинетических свойств обусловлено возникновением энергетической щели в электронном спектре сплавов при их АФМ упорядочении. Кроме того, изучение кинетических свойств позволило уточнить магнитную структуру сплавов в состоянии СС, что в ряде случаев невозможно при использовании других методов.

Рис. 1. Магнитная фазовая диаграмма сплавов FexNi80-xCr20.

1. Методика эксперимента 1 — парамагнитная область, 2 — ферромагнитная область, 3 — область сосуществования дальнего ферромагнитного поИсследовали образцы сплавов FexNi80Cr20 в виде прорядка с локальными искажениями коллинеарной спиновой волок диаметром 0.2–0.3 mm и длиной 40 mm. Пеструктуры, 4 и 5 — области возвратного спинового стеред измерениями образцы закаливали от 1400 K в кла, 6 — область спинового стекла, 7 — антиферромагнитная воду. Рентгенографический и дилатометрический ана- область. TC, TN, TG, Tm — температуры Кюри, Нееля, замораживания спинового стекла, минимума электросопротивления, лизы показали, что при охлаждении до температуры TA — температура возникновения неколлинеарного ферромаг4.2 K все сплавы находились в исходном состоянии с нитного состояния.

ГЦК-решеткой.

102 Г.А. Такзей, И.И. Сыч, С.В. Черепов 2. Экспериментальные результаты и их обсуждение 1) Э л е к т р о с о п р о т и в л е н и е.

На рис. 2 представлены типичные температурные зависимости приведенного электросопротивления R(T)/R(5K) = R(T) - R(5K) /R(5K) сплавов FexNi80-xCr20, испытывающих в соответствии с фазовой диаграммой (рис. 1) магнитные превращения ”парамагнетик-ферромагнетик” (ПМ–ФМ) (x = 44 at.%), ПМ–ФМ–СС (x = 54 at.%), ПМ–СС (x = 60 at.%), ПМ–АФМ–СС (x = 64 и 66 at.%) и ПМ–АФМ (x = 70 at.%). Из приведенных данных видно, что для сплавов в АФМ области составов (x 62) весьма характерны минимумы электросопротивления, температура Tm и относительная ”глубина” R(Tm)/R(5K) которых тем больше, чем больше x. Из рис. 1 и 2 также следует, что для АФМ сплавов Tm < TN, где TN — температура Нееля.

Для сплавов с 54 x 60, т. е. в спин-стекольной области составов, также характерны минимумы элекРис. 3. Температурная зависимость относительного электросопротивления. Однако в отличие от АФМ сплавов тросопротивления антиферромагнитного сплава Fe64Ni16Cr20 в магнитных полях различной напряженности. H (kOe): 1 —0, в СС данная аномалия гораздо слабее. Следует также 2 — 30, 3 — 50.

отметить, что в противоположность данным работы [5] нами не отмечено никаких аномалий электросопротивления ни вблизи температуры TG замораживания СС, ни в окрестности TN. Последнее находится в согласии с Рассмотрим теперь вопрос о влиянии магнитного поля результатами многих авторов, изучавших электросопрона обсуждаемую аномалию электросопротивления. Как тивление СС, а также фрустрированных ФМ и АФМ [6].

видно из рис. 3 и 4, на которых приведены примеры соответствующих зависимостей для АФМ сплава и СС, достаточно сильное магнитное поле, не подавляя аномалию R(T )/R(4.2K) полностью, сдвигает ее в область более низких температур. Полученный результат однозначно свидетельствует о магнитной природе наблюдаемых аномалий.

Перейдем теперь к интерпретации полученных результатов, которая должна ответить по крайней мере на три вопроса. Во-первых, почему минимумы сопротивления наиболее ярко проявляются для АФМ сплавов Во-вторых, в чем причина возникновения минимумов сопротивления в СС FexNi80-xCr20 Наконец, в-третьих, каков механизм частичного подавления минимума сопротивления магнитным полем Прежде всего отметим, что описанные выше аномалии в виде минимумов на температурных зависимостях сопротивления наблюдались и в других сплавах ГЦК-железа (FeNiCr [5,7–9], Fe65(Ni1-xMnx)35 [10], (Fe0.65Ni0.35)1-xMnx [11,12]) в области концентраций, примыкающих к критической концентрации возникновения дальнего АФМ порядка, и связывались авторами указанных работ с различными механизмами рассеяния электронов проводимости, которые, к сожалению, не могут описать всю совокупность экспериментальных данРис. 2. Температурные зависимости относительного электроных. Следует подчеркнуть, что в магнитном отношении сопротивления сплавов FexNi80-xCr20. x-70 (1), 66 (2), 64 (3), 60 (4), 54 (5), 44 (6). все перечисленные выше сплавы имеют одну и ту же Физика твердого тела, 1998, том 40, № Кинетические свойства антиферромагнитных сплавов ГЦК-железа магнитный вклад в удельное сопротивление уменьшается при понижении температуры [6]. В то же время в СС FexNi80-xCr20 с x = 20 (рис. 4) наблюдается противоположная картина. Кроме того, как видно из рис. 1, концентрационная зависимость Tm(x) температуры минимума электросопротивления очень хорошо коррелирует с TN(x), чего не наблюдается для температуры TG. Все сказанное дает основание считать, что аномальное поведение электросопротивления сплавов связано с возникновением в них АФМ упорядочения. Точнее говоря, можно ожидать, что при таком типе упорядочения ниже температуры Нееля TN в спектре электронов проводимости возникает энергетическая щель, которая и обусловливает полупроводниковый характер проводимости сплавов при низких температурах.

Данный вывод подтверждается расчетами энергетического спектра носителей в атомно упорядочивающихся [14] иАФМ[15–17] металлических сплавах. Основной результат указанных расчетов сводится к тому, что, как при атомном, так и при АФМ упорядочении ниже температуры упорядочения в центре полосы проводимости возможно возникновение щели запрещенных энергий.

При АФМ упорядочении ширина щели пропорциональна Рис. 4. Температурная зависимость относительного электроотносительной намагниченности подрешеток АФМ [15].

сопротивления спин-стекольного сплава Fe60Ni20Cr20 в магнитЕсли уровень Ферми в ПМ состоянии находится в центре ных полях различной напряженности. H (kOe): 1 —0, 2 —5, полосы проводимости, то при T < TN может возник3 — 17, 4 — 40.

нуть полупроводниковая проводимость металла. Однако, как указано в [16], из-за сложной поверхности Ферми ГЦК–сплавов железа щель возникает лишь в некоторых природу. Поэтому причины аномального поведения их направлениях обратной решетки. Отсюда следует, что электросопротивления должны быть одними и теми же.

в ”щелевой” проводимости принимают участие не все Удельное сопротивление интересующих нас сплавов носители, ибо в противном случае при T < TN наблюпри температурах ниже TN и TG можно представить в дался бы переход ”металл–диэлектрик”. Данный вывод виде подтверждается результатами, приведенными на рис. 2, из которых следует, что наибольший эффект возрастания (T ) =0 +PH + EE + SW + SD + EG, (1) электросопротивления при температурах T < Tm не превышает 0.5%. Другими словами, сравнительно где 0 — остаточное сопротивление, не зависящее от слабое возрастание электросопротивления при температемпературы, PH, EE, SW — вклады, обусловленные турах ниже Tm может быть связано с температурными электрон-фононным, электрон-электронным рассеянием изменениями концентрации электронов, принимающих и рассеянием на спиновых волнах, SD — вклад, свяучастие в ”щелевой” проводимости, доля которых мозанный с рассеянием электронов на хаотически заможет составлять незначительную часть всех электронов роженных спинах в состоянии СС, EG — слагаемое, системы.

обусловленное возникновением щели в энергетическом Таким образом, возвращаясь к формуле (1), можно спектре носителей.

констатировать, что основной вклад в температурную Из-за сравнительно большого остаточного сопротивления (0 65 70 µ · cm) сплавов FexNi80-xCr20 зависимость электросопротивления исследованных сплавов вносят слагаемые PH EG, причем первое из них суммарный вклад слагаемых PH, EE и SW в общее уменьшается, а второе возрастает при понижении темсопротивление, по-видимому, невелик. К тому же, попературы.

скольку их величины не возрастают с понижением темНесмотря на отсутствие дальнего АФМ порядка в СС пературы [13], они не могут приводить к возникновению минимумов на температурных зависимостях электро- FexNi80-xCr20, (54 < x 60) наличие минимума на температурной зависимости их электросопротивления сопротивления обсуждаемых сплавов (рис. 2–4). Не может быть ответственным за формирование аномалий (рис. 2, 4) можно связать с присутствием в соответэлектросопротивления в интересующих нас сплавах и ствующих сплавах АФМ корреляций конечного размера слагаемое SD. Действительно, ниже температуры TG за- (ближнего АФМ порядка). Такие корреляции обусломерзания СС в классических спин-стекольных системах влены локальными флуктуациями состава, в пределах Физика твердого тела, 1998, том 40, № 104 Г.А. Такзей, И.И. Сыч, С.В. Черепов дить приведенный выше результат. Согласно [13], 2 k2T ln (E) S = 3 e E E=EF 2 k2T ln ln = +, (2) 3 e E E E=EF где e — заряд электрона, EF — энергия Ферми, — проводимость, — длина свободного пробега электронов, — площадь поверхности Ферми. Используя приведенное соотношение, пренебрегая температурной зависимостью, можно дать качественное описание температурной зависимости термоэдс. Действительно, как указано в [16], при возникновении АФМ порядка в ГЦК сплавах железа из-за образования энергетической щели часть поверхности Ферми сокращается. Это приводит к тому, что второе слагаемое в формуле (2) становится отрицательным и при температурах меньших TN, где возникает щель, термоэдс может изменить знак. Именно это и происходит в действительности (рис. 5).

3) H - T - ф а з о в а я д и а г р а м м а.

Рис. 5. Температурная зависимость термоэдс сплава Выясним теперь, как в рамках изложенной модели Fe64Ni16Cr20.

можно объяснить влияние магнитного поля на наблюдаемые аномалии электросопротивления в АФМ сплавах (рис. 3). Очевидно, для полного подавления которых атом железа окружен только атомами желе- упомянутых аномалий необходимы магнитные поля, за [18]. В соответствии с результатами расчетов [14,17] локальное АФМ упорядочение также может приводить к возникновению энергетической щели тем меньшей, чем меньше средний размер АФМ корреляций. В сплавах FexNi80-xCr20, для которых x 55, т. е. в ФМ области составов (рис. 1), образование АФМ корреляций значительных размеров маловероятно. Поэтому для таких сплавов, например, для сплава с x = 44, не должно наблюдаться ”щелевой” проводимости, что подтверждается экспериментальными данными рис. 2.

Обсуждение вопроса о влиянии внешнего магнитного поля на наблюдаемые аномалии электросопротивления будет проведено в третьем разделе настоящей работы, а сейчас рассмотрим температурные зависимости термоэдс АФМ сплавов FexNi80-xCr20.

2) Т е р м о э д с. Как известно, термоэдс является самым чувствительным к электронной структуре металлов электронным свойством. Следовательно, можно ожидать, что перестройка электронной структуры сплавов FexNi80-xCr20 в результате АФМ упорядочения должна проявиться на их термоэдс. На рис. 5 в качестве примера приведена температурная зависимость термоэдс S сплава FexNi80-xCr20 с x = 64. Из приведенных данРис. 6. H-T -магнитная фазовая диаграмма сплава ных видно, что вблизи температуры Нееля TN термоэдс Fe64Ni16Cr20. 1 — парамагнитная, 2 — антиферромагнитная, испытывает резкую аномалию и даже изменяет знак.

3 — спин-стекольная области, 4 — область сосуществования Интерпретация такого рода экспериментов связана со парамагнетизма и ближнего антиферромагнитного порядка.

значительными трудностями, поскольку требует знания TN — температура Нееля, TG — замораживания спинового стедеталей электронной структуры сплавов. Тем не менее, кла [3,4], Tm — минимума электросопротивления (настоящая исходя из простейших соображений, попытаемся обсу- работа).

Физика твердого тела, 1998, том 40, № Кинетические свойства антиферромагнитных сплавов ГЦК-железа способные разрушить в сплавах АФМ порядок. Из Список литературы рис. 6, на котором приведена магнитная фазовая H-T [1] А.З. Меньшиков, Г.А. Такзей, А.Е. Теплых. ФММ 54, диаграмма сплава FexNi80-xCr20 (x = 64) [3,4], видно, (1982); A.K. Majumdar, P. von Blanckenhagen. Phys. Rev.

что наложение на образец сравнительно небольшого B29, 4079 (1984).

магнитного поля H 17 kOe приводит к подавлению [2] A.Z. Men’shikov, P. Burlet, A. Chamberod et al. Solid State в нем дальнего АФМ порядка. Другими словами, Commun. 39, 1093 (1981); M. Shiga, T. Satake, Y. Wada et al.

области 1 и 4 на магнитной фазовой диаграмме J. Magn. Magn. Mater. 51, 123 (1985); A. Wulfes, Ch. Bottger, (рис. 6) соответствуют ПМ состоянию сплава. В J. Hesse et al. J. Magn. Magn. Mater. 104–107, 2069 (1992).

то же время, между состояниями 1 и 4 существует [3] Г.А. Такзей, А.М. Костышин, И.И. Сыч. Письма в ЖЭТФ существенное различие. Как видно из рис. 3, магнитное 43, 425 (1986); Г.А. Такзей, А.М. Костышин, И.И. Сыч.

Pages:     || 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.