Введение к работе
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 сиинтронике 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, Сг и дырочное вырождение для Мп, замещение ионами Fe, Со 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 COxMni.xS в результате комплексного исследования физических свойств в широкой области температур и магнитных полей;
Определение оптимальных концентраций в анион-замещенном селениде марганца MnSei-xTe*, 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 COxMni.xS (х = 0,05; 0,15) 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 Т = (230 - 250) К.
Для анион-замещенных халькогенидов MnSei-xTex 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
COxMni.xS.
Найдены аномалии относительного изменения диэлектрической проницаемости в магнитном поле в зависимости от температуры в COxMni.xS.
Установлены температуры, при которых наблюдаются значительные изменения в магнитных, электрических и упругих свойствах в COxMni_xS.
Исследованы механизмы взаимосвязи магнитных и электрических свойств и предложена модель орбитального упорядочения.
Определен состав твердого раствора Мі^е^Те* 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 MnSe^Tex. 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 MnSei.xTex и CoxMni.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.
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 MexMn!_xS (Me = Сг, Fe, V). Рассматриваются возможные магнитные состояния в модели двухкомпонентного сплава АХВ!_Х 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 МпТе. 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 MnSei.xTCx И СОхМПьхБ.
Образцы твердых растворов MnSei_xTex и COxMn^S - поликристаллы, полученные по технологии твердофазного синтеза. Твердые растворы
Co^Nbi^S получены в Институте физики СО РАН. Твердые растворы
MnSei.xTe» 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 СиКа-излу-
чении на дифрактометре ДРОН-3.
Измерения удельного сопротивле
ния были проведены четырехзон-
довым 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 ЮкОе.
Измерения диэлектрических
НДОе
1,0-0,5 0,0 -0,5
-1,04
S о
свойств в данной работе
проведены на прецизионном
измерителе иммитанса - LCR-819-
RLC. Точность измерений состав
ляет 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 Юе.
Погрешность стабилизации и
измерения температуры
Н,Юе
0,8 0,4'
0,0-
44. -0,8
составляет 0,1 К. Статические магнитные измерения выполнены на автоматизированном магнитометре со сверхпроводящим соленоидом и вибрационном магнитометре.
Третья глава посвящена
изучению магнитных, электричес
ких свойств твердых растворов
CoxMni.xS и их взаимосвязи.
Синтезированные образцы
"НДОе
Рисунок 1 —Кривые намагничивания образца Co0,osMn0t9SS при разных температурах: Т=4,2К(а), Т= 77 К (Ь), Т=130К(с)
CoxMni.xS имеют антиферромаг
нитный тип упорядочения, на что
указывают максимумы в
температурном поведении
восприимчивости. Температура Нееля возрастает от TN=150K
(x = 0) до TN = 196 К (x = 0,4). Парамагнитная температура Кюри также
увеличивается по абсолютной величине от в = -440 К (х = 0) до 0 = -520 К (х = 0,4).
В магнитоупорядоченной области (Т < Тк) для этих образцов наблюдается образование спонтанного магнитного момента, существование которого в системе твердых растворов CoxMni.xS в магнитоупорядоченной области (Т < TN) 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 Юе. 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 М = H/Jz и при температурах Т<ТС вклад спиновых моментов в результате скоса подрешеток значительно меньше по сравнению с экспериментальными данными, так для Т = 4,2 К, Н = 8 Юе величина намагниченности М* = 0,45 цв, М8" = 1,2дв. На Рис. lb даны теоретические зависимости М(Н) и экспериментальные данные. Возможно, что разница М^-М4 обусловлена орбитальной намагниченностью кластеров Мп-Со-Мп, которая исчезает при нагревании выше Тс = 120 К.
Для состава Соо.^Мпо^Б измерения намагниченности в магнитных полях Н = 13, 100, 500 Ое обнаруживают зависимость от предыстории образца при Т < 250 К. Так, величина намагниченности образца, охлажденного в нулевом магнитном поле, значительно меньше, чем охлажденного в поле Н = 100 Ое (Рис. 2). Поведение зависимостей М(Т) практически совпадает при увеличением магнитного поля до 500 Ое. 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=100Ое (FC-1) и
нулевом магнитном поле
(ZFC-2) для образца
Co0,isMn<),ssS
Рисунок З - Значения температуры, при которой образуется спонтанный магнитный момент Тс(х)/Тс-тах, нормированы на соответствующие величины для х = 0,05 от концентрации ионов кобальта. Теоретические результаты изображены сплошной линией.
"'"о.О 0,1 х ОД ' 0,3
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 Т^хуТсша = ZxO-x)2"1, где Z = 12 - число ионов марганца, окружающих ион кобальта. Максимальная температура Т^щх 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 Co^Mni^S исследовались при измерениях реальной и мнимой частей диэлектрической проницаемости в области температур 80К<Т<300К в магнитном и в постоянном электрическом полях, в зависимости от предыстории образца. Здесь можно выделить две области температур: при Т<200К диэлектрическая проницаемость не зависит от частоты, а при Т > 200 К реальная часть диэлектрической проницаемости уменьшается, а мнимая растет. Постоянное магнитное поле меняет величину дюлектрической проницаемости в сторону ее уменьшения.
На рисунке 4 представлены зависимости реальной и мнимой частей диэлектрической проницаемости для Coo.ijMno.sjS. Зависимости имеют немонотонный характер. При Т ~ 120 К для состава с х = 0,05 наблюдается небольшой рост диэлектрической проницаемости, который наиболее отчетливо проявляется при вычислении производной de(T)/dT.
На рисунке 5 приведены относительные изменения диэлектрической проницаемости, измеренные в нулевом магнитном поле ив поле Н = 5кОе. Найдены два максимума в поведении кривых: при Ті ~ 125 К и Т2~225К. Величина эффекта составляет 3 % и 15 % для температур Ті и Т2
соответственно, которые коррелируют с температурами, при которых образуется слабый спонтанный магнитный момент в COxMni.xS и ферромагнитное упорядочение орбитальных магнитных моментов.
ю2.
10'.
104-|
"10.
т—I—I г—| 1 1 1 1 1 1— 10'
Т,К
-і—і—і—і—і—і—і—і—і—і—г*
Т,К
Рисунок 4 - Реальная (Re(e)) (а) и мнимая (Im(e)) (Ь) части диэлектрической проницаемости CoJrfnj.Ji сх = 0,15 от температуры, измеренные на частоте f=lkHz.
0,4
0,00
0,0
1:0,02-
' o,oi-
* 0,00
,Г
0,2
Т^->
0,1
W V .
200 т к 300
200T)K300
Рисунок 5 - Относительное изменение реальной (а) и мнимой ф) части диэлектрической проницаемости в магнитном поле Н = 5Юе от температуры на частоте /= 1 kHz в нулевом электрическом поле (1) и в поле Е'- 5 V/cm (2) для Со0іо№гіор
Вольтамперные характеристики обнаруживают слабую нелинейную зависимость, наклон которой меняется с ростом внешнего магнитного поля в интервале температур 170 К < Т < 240 К.
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 є(Н,Т) проведены измерения коэффициента теплового расширения и постоянной решетки от температуры. Зависимости, изображенные на рисунке 6, обнаруживают ряд аномалий для а(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. 6Ь). Отличие в температурном поведении коэффициента теплового расширения а(Т) и постоянной решетки а(Т) при Т > 230 К, возможно, обусловлено двумя факторами: искажением решетки, либо образованием упругих напряжений, возникающих в результате электрон-фононного взаимодействия.
' 100 150 200 250 300 100 150 200 250 300
Рисунок 6—Температурная зависимость коэффициента теплового расширения (а) и постоянной решетки (Ь) для образца Со0,і5Мп0і8^.
Дня 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 сої = 115 см'1, аь = 273 см"1 - 298 см"1, Шз = 840см"! наблюдаются активные Рамановские моды. Линия на частоте Ші очень узкая, ее форма и частота от температуры не зависит. При понижении температуры ниже Т = 230 К пик на частоте 0)2 становится асимметричньш и ниже Т = 210К наблюдается
смещение частоты на 6 см . 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 К, что указывает на существенную роль электрон-фононного взаимодействия.
Согласно литературным данным [1] положение двух пиков на частоте i = l 15 см'1 и (о2 = 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 gefr = hv/(nBHres) резко возрастает в интервале температур 150К<Т<180К. Для Т < 150 К g - фактор практически не зависит от температуры и принимает значение порядка g-ff~ 1,3, а в интервале температур 190К<Т<280К величина g - фактора варьируется в пределах 1,7-1,75.
800Н
йбооН .#
І400- 200-
Рисунок 7 - Романовские спектры при разных температурах: 160 К (1), 210 К (2), 230 К (3), 250 К (4) в зависимости от частоты для образца Co0jsMno,8sS. На вставке представлен сдвиг частоты о}2 Романовской моды от температуры.
о, cm
В образце, охлажденном во внешнем магнитном поле Н = 5 Юе, интенсивность сигнала ЭПР уменьшается примерно в два раза в мапштоупорядоченной 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. 8Ь) от температуры в области 190 К < Т < 270 К свидетельствует о том, что основным механизмом спиновой релаксации является спин-орбитальное взаимодействие.
ZFC-1
Ь 9.01
" 6,0-і
5 3,0-
—і ' 1—
4500'
Рисунок 8 — Температурные зависимости интенсивности (а) и ширины линии (Ь) ЭПР спектров образца Со0,оМпо,9>* при охлаждении в нулевом магнитном поле (ZFC- 1) и в магнитном поле Н = 5 Юе (FC- 2).
Экспериментальные результаты объясняются в модели упорядоченного расположения электронов на t;g орбитатях ионов кобальта и марганца и их взаимодействием с упругой и магнитной подсистемой. В рамках данной модели оценено влияние концентрации кластеров Мп-Со-Мп 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 MnSei.xTex. Халькогениды марганца являются антиферромагнетиками. МпТе имеет кристаллическую структуру гексагонального (NiAs) типа. MnSe обнаруживает структурный фазовый переход из кубической (NaCl) в гексагональную (NiAs) фазу в области температур 248 К < Т < 266 К Ниже 248 К 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 К [3]. Для гексагональной фазы она совпадает с температурой структурного перехода Т, = 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 МпТе (0,9 - 1,3 eV) [4].
Ренттеноструктурный анализ позволяет сделать вывод о том, что для образцов MnSebxTe* в интервале концентраций 0 < х < 0,4 существуют твердые растворы с элементарной ячейкой типа NaCl. С увеличением концентрации теллура шблюдается монотонный рост постоянной решетки.
Jio3-є
-С
і.
dllO
10"'
0,003
0,006 0,009 1/Т
0,012
т—і—г
Т,К
Рисунок 9 - Температурная зависимость удельного электросопротивления MnSei.xTex (а) длях = 0,1 (1), 0,2 (2), 0,3 (3), 0,4 (4) и относительное изменение величины удельного сопротивления в поле 10 Юе (Ь) длях -0,1 (1), 0,2 (2).
Измерения удельного электросопротивления при многократном циклировании по температуре обнаружили температурный гистерезис для составов х = 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
Влияние магнитного поля на транспортные свойства исследовалось двумя способами. Во-первых, исследовалась зависимость сопротивления от температуры твердых растворов MnSei.xTe„ находящихся как в магнитном поле, так и в его отсутствие. Во-вторых, при фиксированной температуре изучались вольтамлерные характеристики в нулевом магнитном поле и в
т——і—і—і—' -10 -5 0 5 I, тА
--1 -0Л1 -2
-0,2-
-I—і—і—>—і——і——і—
-10 -5 0 5 10 I,mA
і—і—і——і—>—г 10 -5 0 5 10 1,тА
Рисунок 10 — Вольтамперные характеристики халькогенидов марганца MnSe,.xTex при температурах: Т = 100 К, 140 К, 190 К.. ZFC-1. FC-2.
поле Н = 10 кОе, изображенные на рисунке 10. Зависимости U(I) линейны и не зависят от величины магнитного поля при Т < 100 К. Установлено, что в магнитном поле сопротивление образцов уменьшается и наибольшее изменение обнаружено в окрестности температуры Нееля у состава х = 0,1 (Рис. 9Ь). Для х = 0,2 это изменение на порядок меньше и для больших концентраций магнитосопротивление (MR) не обнаружено.
В случае твердых растворов MnSei-xTe* немонотонное поведение магнитосопротивления от температуры в парафазе для двух концентраций х = 0,1; х = 0,2 коррелирует с гистерезисом магнитной восприимчивости в интервале температур ДТ ~ 120 К - 340 К, обнаруженным при нагревании и охлаждении этих образцов в магнитном поле (Рис. 11).
Относительное изменение магнитного момента
0^0001^(7)-^3^^))/1^001^(11-0,06 измеренное в магнитном поле Н = 7,7Юе достигает максимальной величины для состава с х = 0,2. Замещение селена теллуром способствует уменьшению парамагнитной температуры Кюри по абсолютной величине с ростом х от 0Р = -350 К для х = 0,1 до 9р = -270 К для х = 0,4. Подобным образом изменяется и величина магнитного момента, принимая значения ц~5,50цв ДЛЯ MnSeo,aTe0,i и ц~5,13цв для MnSe0,6Teo,4. Температура Нееля у исследованных образцов плавно уменьшается от 132 К у MnSe0,9Te0,i до 110 К у состава MnSe0,6Te0>4.
В МпТе с гексагональной структурой формируется антиферромагнитный порядок, состоящий из спинов, ферромагнитно упорядоченных в гексагональной плоскости и направленных антипараллельно в соседних плоскостях при температурах Т < TN. В областях дислокации анионов теллура по узлам решетки твердых растворов MnSei_xTex возможно формирование магнитных кластеров с нечетным числом ферромагнитных слоев обладающих достаточно большой величиной магнитного момента.
heating 1 cooling * heating 2
Рисунок 11 - Температурные зависимости магнитной восприимчивости для образца MnSe0.sTe0,2-На вставке: зависимость намагниченности от температуры для того же образца
Проведенные расчеты дают оценку размеров кластеров ~ 5 нм, составляющих порядка 1 % от массы твердого раствора МиЗе^Те*.
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 пршпшает 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 повышеншг температуры. В магнитоупорядоченной области интенсігвность сигнала ЭПР повышается с ростом концентрации и составляет I(T)/I(TN)« 0,01 для х = 0,2 и 0,06 для х = 0,4, что указывает на увеличение концентращш спиновых поляронов и коррелирует с изменением величины сопротивления.
2,5-2 2''
^ 1,5-0,5-
100 ' 200 ' 300 ' 400 ' 500 ' 600 Т,К
5,530' 5,525-5,520-5,515-
Рисунок 12 - Температурная зависимость коэффициента теплового расширения а(Т) (а) для двух образцов MnSe^xTex: х = 0,2 (1), 0,4 (2) и постоянной решетки а(Т) (Ь) сх = 0,2
Коэффициент теплового расширешгд практически не зависит от температуры, а постоянная решетки линейно растет при лтвеличенип 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 с энергией hoo = 9700 cm"1 соответствует ширине запрещенной зоны. Вблизи дна зоны проводимости наблюдаются дополнительные максимумы поглощения с шоі = 6300 cm"1 и с Ьсог = 8700 cm"1, расположенные по энергии ниже дна зоны проводимости на величину ДЕ] = 3400 cm"1 и ДЕ2= 1000 cm"1. Возможно, эти линии соответствуют связанным состояниям электрона и дырки, которые образуют водородоподобный спектр экситонов. Энергии линии спектра описываются формулой Е^ = 1,2 - 0,42/n2 eV [5] с энергией связи экситона Eb = 0,42eV. Радиус экситона порядка Ri = 0,8 нм = 1,4-а, где а - постоянная решетки.
Похожие диссертации на Исследование электрических и магнитных свойств твердых растворов халькогенидов марганца
