Особенности магнитных, электрических и термоэлектрических свойств магнитнополупроводниковых халькошпинелей, содержащих Hg, Cu, Mn, Cr, Sb, S, Se, вызванные сильным s-d обменом Михеев, Михаил Георгиевич

Введение к работе

і.

Актуальность темы.

Магнитные полупроводники (МП), один из классов которых оставляют хромхалькогенидные шпинели, представляют большой инте-ес для физики магнитных явлений и физики твердого тела. Этот нтерес определяется уникальными свойствами, которыми обладают энные материалы. В них наблюдаются гигантские величины магнитосо-ротивления (МС) и магниооптических эффектов, "красный" и "синий" двиг края оптического поглощения света при понижении температуры, отоферромагнитный эффект и другие. Эти эффекты связаны с наличием агнитного порядка в материале и вызваны влиянием сильного s-d Змена на носители тока. В хромовых халькошпинелях реализуются амые разнообразные магнитные структуры: ферромагнитная (ФМ), ятиферромагнитная (АФМ), ферримагнитная (ФШ), геликоидальная и тиновое стекло. Кроме того в МП реализуются особые магнитноприме-зые состояния: электронам доноров (или дыркам акцепторов) из-за >шгрыша в энергии s-d обмена энергетически выгодно локализоваться соло примесей, создавая вокруг них ферромагнитные микрообласти іримесньїе ферроны) или микрообласти с разрушенным магнитным поря-сом (антиферроны), в зависимости от того, какой обмен преобладает внутризонный s-d в первом случае, или межзонный во втором.

Большинство известных в настоящее время МП обладают точками эри ниже комнатной температуры, что сдерживает их практическое ^пользование в технике. Поэтому очень важна проблема получения ,юокотемпературных МП. Следует отметить, что наряду с практичес->й значимостью задача создания МП с Т_с>зоо К тесно связана с ізвитием представлений о влиянии катионного и анионного замещений і свойства шпинелей, а также с экспериментальной проверкой водов современной теории МП.

Цель работы Изучить физические свойства как нелегированных кристаллов rcr₂se₄, так и с добавками in и Ga для получения информации о аимосвязи электрической и магнитной подсистем, вызванной s-d ^:меном, а также сравнить полученные характеристики с аналогичными Я CdCr₂Se₄:In и CdCr₂Se₄:Ga;

б) Провести поиск новых высокотемпературных МП на основе медны хромхалькогенидных шпинелей, опираясь на выводы современной теори МП.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

і. Изучить в широком интервале температур 4.2 К<Т<зоо К удельно

электросопротивление, магнитосопротивление (МС), термоэдс, эффек

Холла и намагниченность, а также их зависимость от величины магни

тного поля Н нелегированных кристаллов Hgcr₂se₄ и легированных г

и Ga. Сравнить полученные результаты с аналогичными дл.

CdCr₂Se₄:In и CdCr₂Se₄:Ga.

2. Исследовать электрические и магнитные свойства следующих новы:

составов МП на основе медных хромхалькогенидных шпинелей:

Cu_xMn₁__xCr₂S₄ (х=0; 0.1; 0.2),

CuCr₂S₃.93^Вг0.07'

x-CuCr₂Se₄-(l-x)Cu₁₀₇Me₀_₅₃Cr₁₆Se₄ (Ме= Sn, Ge),

^CuCr1.5+x^Sb0.5-X^S4 (x<0.3),

Cu^yMeyCr^+o^ySbo^.o^yS.j (Me=Zn, 0.25

0.25

- co^-jcrj.ysbo,^, Mn_1-2cr₁₇sb_0#1s₄.

Обсудить полученные результаты на основе современной теории МП.

Научная новизна работы.

1. В ФМ шпинели Hgcr₂se₄ впервые исследована зависимость магнито-термоэдс лоі/оі от температуры Т и намагниченности о и проведене подробное исследование эффекта Холла. Обнаружено, что магнитотер-моэде составляет несколько процентов; ее зависимость от намагниченности а отличается от квадратичной в районе точки Кюри Т_с (дг/оі=Всг^т, м^б) На кривых коэффициента термоэдс =і(Т) и нормального коэффициента Холла обнаружены особенности r районе Т_с. Большая величина m и эти особенности объяснены наличием примесных ферронов, образующихся у донорных центров - вакансий se²~.

2. В монокристаллах HgCr₂se₄:Ga, близких к стехиометрии, обладающих высоким удельным электросопротивлением ,р~і(н-іо⁵ Ом-см и резким максимумом J> в точке Кюри Т_с, обнаружено изотропное положительное МС выше Т_с. В этих кристаллах немного ниже Т_с сначала наблюдается гигантское отрицательное МС равное эо% в поле 47 кЭ, затем МС меняет знак и выше Т_с становится положительным, достигая в максимуме ~17%. Монокристаллы HgCr₂se₄:in, имеющие отклонения от стехиомет-

ни и обладающие низкой величиной j>~i-s-io Ом «см, обнаруживают зна-нтельно меньшее возрастание р в районе Т_с и только отрицательное 2~7о% немного нижеТ_с.

. Найдено, что максимумы модуля МС и j> в Hgcr₂se₄:m и gcr₂Se₄:Ga смещаются под действием магнитного поля в сторону злее высоких температур. Гигантские максимумы МС и р а также их ївиг под действием магнитного поля объяснены с помощью ферронов. . Обнаружено, что в легированных in и Ga кристаллах Hgcr₂se₄ шагниченность в районе точки Кюри значительно сильнее возрастает ростом магнитного поля, чем в обычных ФМ. Таким бразом, в данных шокристаллах магнитное поле размывает фазовый переход ФМ-парама-іетик значительно сильнее, чем в обычных ФМ. Указанное явление іьяснено присутствием ферронов.

Обнаружено, что введение меди в ФИМ полупроводник Mncr₂s₄ при-ідит к сильному увеличению температуры Кюри (~зоо К) при сохра-інии полупроводникового типа проводимости. Таким образом, найдены >вые невырожденные МП с температурами магнитного упорядочения :ше комнатной. Предполагается, что такое увеличение Т_с связано с шествованием сильного s-d обменного взаимодействия в составах x^Mni-x^Cr2^s4 ^с з^⁰*^{1 и} -²- Оценена величина этого взаимодействия ~о.б эВ.

Из изучения магнитных и электрических свойств новых МП на нове медных хромхалькогенидных шпинелей показано, что составы

^Cr2^S3.93^Br0.07 ^{И CuCr}1.5+x^Sb0.5-X^S4 (*=0.3) ЯВЛЯЮТСЯ МП С

чками Кюри выше комнатной.

речисленные выше положения выносятся на зашиту.

Практическая ценность результатов работы.

Полученные в диссертационной работе результаты способствуют пьнейшему развитию представлений о транспортных свойствах МП, в ;тности, о взаимодействии носителей тока с магнитной системой ;ледуемого материала.

С точки зрения практического использования важность работы слючается в создании и исследовании МП с точками Кюри выше гаатной температуры, что приблизит их применение. Такие физичес-; свойства, как красный сдвиг оптического поглощения и гигантів эффекты МС позволят использовать эти материалы в качестве :чиков магнитного поля и других сенсорных устройствах.

Апробаций работы. Основные результаты диссертационной работы представлялись и обсу ждались на:

- yiii Всесоюзной школе-семинаре "Новые магнитные материалы дл

НИКроЭЛеКТрОНИКИ", Донецк, 1982;

- Всесоюзном симпозиуме "Неоднородные электронные состояния"

Новосибирск, 1984;

- Всесоюзной конференции "Химическая связь, электронная структур
и физикохимические свойства полупроводников и полуметаллов"

КаЛИНИН, 1985;

-х Всесоюзной школе-семинаре "Новые магнитные материалы дл микроэлектроники", Рига, 1986;

XI Всесоюзной школе-семинаре "Новые магнитные материалы дл микроэлектроники", Ташкент, 1988;

xyiii Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений

КаЛИНИН, 1988;

Международной конференции по магнетизму ісм'9і, Эдинбург, Вели кобритания, 1991;

її Международной конференции по физике ферритов, Токио, Япония 1992;

хш школе-семинаре "Новые магнитные материалы для ' микроэлек троники", Астрахань, 1992;

yi Научном семинаре по физике магнитных явлений, Донецк, 1993;

Международной конференции по магнетизму іск'94, Варшава, Польша

1994.

Публикации.

По результатам диссертации опубликовано 19 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и спискя литературы, содержащего 156 названий. Диссертация изложена на 12о страницах и содержит 29 рисунков и 6 таблиц.