CC BY
9
AZ9RBAYCAN KIMYA JURNALI № 2 2012
53
УДК 543.42.062:546.77
ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ СИСТЕМЫ MnTe-FeSb
А.Н.Кулиев, А.А.Алиев, Х.А.Адыгезалова, О.А.Гасанов, И.Ш.Дадашов
Азербайджанский государственный педагогический университет
imiraliyev@rambler. ru
Поступила в редакцию 10.04.2012
Методами физико-химического анализа (ДТА, РФА, МСА, определением плотности и измерением микротвердости) исследован характер химического взаимодействия в системе MnTe-FeSb и построена диаграмма состояния. В системе образуется эвтектика, состав которой отвечает 70 мол. % FeSb, плавится при 810 K. Установлено, что в системе твердые растворы на основе MnTe простираются до 15 мол. % FeSb, а на основе FeSb - до 5 мол. %. MnTe. Изучены некоторые физические параметры - микротвердость (Н) и пикнометрическая плотность (рп) при 7=300 К. Изучен режим приведенной Холла в зависимости от магнитного поля Exd
—--Н, измерены магнитная восприимчивость и точка Кюри.
Ключевые слова: магнитные свойства, пикнометрическая плотность, полупроводниковые свойства, эвтектика, магнитная восприимчивость.
Соединения 3й?-переходных металлов с элементами VI группы (О, S, Sе, Те) таблицы Менделеева отличаются большим разнообразием физических свойств. Ценнейшее сочетание полупроводниковых и магнитных свойств делает их незаменимыми материалами в электронной и других отраслях техники.
В обычных полупроводниковых материалах, не обладающих магнитоупорядоченными свойствами, электронная корреляция - слабая, и они имеют широкую энергетическую зону. Маг-нитоупорядоченные полупроводниковые материалы обладают узкой энергетической зоной, где взаимодействие электронов является сильным, и корреляционными эффектами пренебрегать нельзя. Сильная электронная корреляция придает этим материалам новые электрические и интересные магнитные свойства [1]. Кроме того, обычная зонная теория Блоха-Вильсона к этим веществам неприменима.
Исследования электронной проводимости в халькогенидах переходных металлов в основном проводились на отдельных образцах (NiO, MnO, СоО2 и ферритах) и не в широком температурном интервале, что не может прояснить общей картины энергетического состояния токоноси-телей. Комплексные экспериментальные исследования, проведенные для ряда групп материалов, могли бы создать благоприятные условия для развития теории, которая до сих пор для них практически отсутствует, а имеющиеся положения противоречат экспериментальным данным.
Учитывая вышеизложенное, мы провели исследование соединений переходных металлов на основе MnSb, MnТе, MnO и FeSb. На основе их получены твердые растворы, в частности системы ^^ИМиТе)^ [2].
FeSb имеет кристаллическую структуру типа NiAs с постоянными параметрами решетки: а = 4.072, b = 6.5503, с = 5.140 Ä; является ферромагнетиком. MnТе также обладает гексагональной структурой типа NiAs, но является антиферромагнетиком. Исходя из вышеизложенного, представляет научный интерес исследование твердых растворов системы (MnТе)1_x(FeSb)x с точки зрения изучения магнитных и некоторых кинетических свойств полученных сплавов [3].
С помощью рентгенографического, дифференциально-термического, микроструктурного анализов, а также измерения микротвёрдости и плотности построена диаграмма состояния исследованной системы (рис. 1.) При исследовании микроструктуры выявлено, что в системе MnTe-FeSb при комнатной температуре на основе MnTe растворяется 15 мол. % FeSb, а на основе FeSb -5 мол. % MnTe. В интервале 15-95 мол. % FeSb ниже линии солидуса кристаллизуются двухфазные сплавы (а +ß).
Т, к 1600 |_
1400 1200 -1000 -
800 600 400 200
МпТе
Рис. 1. Диаграмма состояния системы МпТе -Бе8Ь.
20
40 60
Мол.%
80
Бе8Ь
На рис. 2 а и б приведен график зависимости микротвёрдости от состава, из которого видно, что микротвердость сплавов в зависимости от содержания МпТе и Бе8Ь незначительно изменяется.
Микротвердость сплавов системы измеряли на микротведомере ПМТ-3 с нагрузкой 0.25 Н. Результаты измерения микротвердости сплавов показывают, что микротвердость сплавов состава 0-15 мол. % Бе8Ь увеличивается по отношению к чистому МпТе от 1080 до 1115 МПа (15 мол. %), а затем остается постоянной независимо от состава. Это указывает на то, что в фазе МпТе растворяется до 15 мол.% Бе8Ь.
1250 |-1000 750 500
М1250 ^ 1000 750 500
МпТе
П-\-1-г~
10 12 14 16
—I-1-1-1-\-г
Бе8Ь 1 2 3 4 5 6
Мол. % ^ МпТе
Мол. % ^ Бе8Ь
Рис.2. Зависимости микротвердости от состава МпТе (а) в Бе8Ь (б).
На рис.3 приведены зависимости плотности полученных сплавов от состава. Видно, что в области твердого раствора плотность остается почти постоянной, чего нельзя сказать об области двухфазных образцов.
т я 5 -
о
"й 4 -
а
3 -
2 -
1 -
т 5 -
м
о
и 4 -
а
3 -
2 -
1 -
"Г
"Г
МпТе
2 4
Бе8Ь
1
т
"Г
"Г
6 8 10 12 14 16 Мол. % ^ Бе8Ь
Рис. 3. Зависимости плотности полученных сплавов от состава МпТе в Бе8Ь (а) и Бе8Ь в МпТе (б).
2 3 4 5 6 Мол. % ^ МпТе
б
а
б
а
А.Н.КУЛИЕВ и др.
55
Экспериментальные результаты по измерению температурной зависимости магнитной восприимчивости (X исследованных образцов в области твердых растворов (0-15 мол.%) системы (МпТе)1-х(Ре8Ь)х изображены на рис. 4.
800 ■
600
400
200 ■
Рис. 4. Температурная зависимость магнитной восприимчивости твердых растворов (МпТе)1-х(Ре8Ь)х.
70
г 80
90
^ т, К
Анализ данных рисунка проводился в предположении, что непосредственно измеряемая величина ХобЩ является суммой ферромагнитного и антиферромагнитного вкладов Хф и хаф ионов Бе и 8Ь:
Хоб = Хф+Хаф+(ХБе "ХМп)+А.
Естественно, что роль первого слагаемого в этом уравнении довольно существенна в случае образцов МпТе или Бе8Ь. Значение хМп, ХБе для каждого образца определялось как разность (ХБе_ХМп), при этом в качестве величины Хаф была использована магнитная восприимчивость МпТе.
Из этого рисунка видно, что при концентрациях до 15% антимонида железа (образец 5) магнитная восприимчивость подчиняется закону Кюри.
Исследования указанных физических свойств показывает, что Мп в решетке Бе8Ь может находиться в заряженном состоянии Мп2+, при замене атомов железа, которым соответствует электронная конфигурация 3d 5. Для такой электронной конфигурации характерно отсутствие расщепления энергетического состояния кристаллическим полем, так как ее орбитальный момент равен нулю. Следует отметить, что ионы Мп2+ находятся на больших расстояниях друг от друга, и обменное взаимодействие между ними практически отсутствует. Как известно из правила Хунда, при образовании кристаллической решетки электронные состояния изменяются вследствие внутриатомной связи электронов, расщепляющего действия кристаллического поля решетки и наличия условий для магнитной (ферро- или антиферромагнитной) связи спинов соседних атомов и т.д. Следует отметить, что при образовании твердых растворов в системе МпТе-Бе8Ь образуется несовершенная кристаллическая решетка. Повышенное (10%) содержание марганца (образец 3) приводит к тому, что температурная зависимость %МпэЬ и %реэЬ уже не подчиняется закону Кюри, в то время как в области высоких температур экспериментальные данные подчиняются закону Кюри-Вейса. Между магнитными моментами атомов Мп и Бе, образующих кластер, существует обменное взаимодействие антиферромагнитного знака (МпТе) и ферромагнитного знака (Бе8Ь), которое и обуславливает более резкое изменение величины хМ и при понижении температуры. Следует отметить, что в области высоких температур восприимчивость ионов Мп и Бе подчиняется закону Кюри-Вейса. Согласно теории молекулярного поля (С), характеристическая температура 0, а также числитель выражения С = ^ должны быть прямо пропорциональны отношению концентрации ионов марганца и железа (ц8Ь/цРе).
Учитывая вышесказанное, также проведено исследование некоторых кинетических параметров в области твердых растворов системы МпТе-Бе8Ь.
При температуре Т =300 К измерена зависимость
E_
108 от Н, которая показана на рис. 5.
Erd о _£_ ,108
800 -| 600
400 ■
200 -
Рис.5. Зависимость приведенной Хол-
Ex_ , „8 тт
ла 108 от магнитного поля Н I
твердых растворов (MnTe)i_x(FeSb)x.
п-1-1-1-1-1-¡-1-1-г
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 H
I
Как видно из рис.5, кривая для образца 5 (FeSb + 15 мол. % MnTe) незначительно отклоняется от прямолинейности, а для образца 2 с большим содержанием МпТе (FeSb + 3 мол. %MnTe) отклонение от прямолинейности - значительное, что указывает на сильное взаимодействие Fe-Mn с теллуром и сурьмой в кристаллической решетке.
Из значений магнитной восприимчивости определены точки Кюри для некоторых образцов системы MnTe-FeSb. С увеличением МиГе до 25% в FeSb приводит к уменьшению значения точки Кюри, а от 15 до 60 мол. % МnТе в FeSb оно остается почти постоянным, а затем резко падает.
Для выяснения механизма проводимости в области твердого раствора системы MnTe-FeSb исследована при Т=300 К электропроводимость (с) от состава, в результате чего подтверждены полученные измерения магнитных свойств.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. М.: Наука, 1978. С. 60-65.
2. Алиджанов М.А., Кулиев А.Н., Дадашов И.Ш. // IV Респуб. конф. "Физико-химический анализ и неорганическое материаловедение". Сб. ст. Баку. 1998. С. 95.
3. Мамедов К.П., Кулиев А.Н., Сафаралиев Г.И. и др. // Неорган. материалы. Изв. АН СССР. 1976. Т. 4. № 1. С. 131.
MnTe-FeSb SÍSTEMÍNDO ALINAN BORK MOHLULLARIN QALVANOMAQNÍT XASSOLORÍ
O.N.Quliyev, A.A.Oliyev, X.A.Adg6zalova, O.M.Hasanov, LÇ.Dadaçov
Fiziki-kimyavi analiz metodlan (DTA, RFA, MQA, elaca da mikribarkliyin va sixligin ôlçûlmasi) vasitasila MnTe-FeSb sisteminda qarçiliqli tasirin xarakteri ôyranilmiç va onun hal diaqrami qurulmuçdur. Sistemda amala galan ev-tektikanin tarkibi 70 mol % FeSb, arimasi isa 810 K-dir. Müayyan edilmiçdir ki, sistemda MnTe asasinda 15 mol % FeSb hall oldugu halda, FeSb asasinda 5 mol % MnTe hall olur. Orintilarin 7=300 K-da mikrobarkliklarinin (Hv) va piknometrik sixliqlarinin (pp) tarkibdan asililigi ôyranilmiçdir. Eyni zamanda arintilarin Xoll effektinin maqnit E_
sahasindan asililigi —--Н va Küri nôqtasi tayin olunmuçdur.
Açar sozlzr: maqnit xassalari, piknometrik sixliq, yarmkeçiricilik xassalari, evtektika, maqnit hassasligi.
А.Н.КУЛИЕВ и др.
57
GALVANOMAGNETIC PROPERTIES OF SOLID SOLUTIONS OF THE MnTe-FeSb SYSTEM
A.N.Kuliev, A.A.Aliev, Kh.A.Adigezalova, O.M.Gasanov, I.§h.Dadashov
By the method of physico-chemical analysis (DTA, X-ray diffraction, microhardness determination and density measurement) the character of chemical interaction in the MnTe-FeSb system has been studied and state diagram has been plotted. In the system there forms eutectic the composition of which is 70 mol.% FeSb and it fuses at 810 K. It is established that in the system solid solutions on MnTe base extend to 15 mol. % FeSb, while on FeSb base - they do to 5 mol. % MnTe. Some physical parameters like microhardness (Hv) and pyknometeric density
E d
(pp) at T =300 K have been examined. —---H, a magnetic susceptibility and Curie point have been measured.
Keywords: magnetic properties, pyknometeric density, semiconductor properties, eutectic, magnetic susceptibility.
