МАГНИТОЕМКОСТЬ СУЛЬФИДОВ МАРГАНЦА ЗАМЕЩЕННЫХ ИОНАМИ ТУЛИЯ Текст научной статьи по специальности «Физика»

Секция ««ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ»

УДК 539.21:537.86

МАГНИТОЕМКОСТЬ СУЛЬФИДОВ МАРГАНЦА ЗАМЕЩЕННЫХ ИОНАМИ ТУЛИЯ*

А. М. Харьков*, В. В. Кретинин, В. В. Мироненко

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: [email protected]

В твердых растворах TmxMni_xS (x = 0,05, x = 0,1) проведены измерения емкости и тангенса угла диэлектрических потерь в интервале частот 1-300 kHz без магнитного поля H = 0 и в магнитном поле H = 8 kOe в интервале температур 80-500 К. Обнаружены рост диэлектрической проницаемости и максимум диэлектрических потерь в области высоких температур. Для двух составов найден магнитоемкостный эффект и смена знака магнитоемкости с ростом концентрации. Магнитоемкость объясняется в модели с орбитальным упорядочением электронов.

Ключевые слова: твердые растворы, магнитоемкость, диэлектрическая проницаемость.

MAGNETOCAPACITY OF MANGANESE SULPHIDES SUBSTITUTED

BY THULIUM IONS

A. M. Kharkov*, V. V. Kretinin, V. V. Mironenko

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]

The capacity and the dielectric loss tangent of a TmxMn1-xS (x = 0,05, x = 0,1) solid solution in the frequency range (1-300) kHz without field H=0 and in a magnetic field of H = 8 kOe in the temperature range (80-500) K were measured. The increase of dielectric permittivity and the maximum of dielectric losses at high temperatures were found. The magnetocapacitance effect for two compositions and change the sign of magnetocapacity with increasing concentration were revealed. The magnetocapacity is explained in terms of the model with orbital electron ordering.

Keywords: solid solutions, magnetocapacity, dielectric permeability.

Введение. Орбитальное вырождение в сульфиде марганца MnS может возникнуть при электронном допировании в результате замещения двухвалентного иона марганца трехвалентным ионом тулия. Сульфид тулия TmS является полуметаллом и имеет такую же кристаллическую и магнитную структуру, как в полупроводнике MnS. Из-за сильных электронных корреляций в MnS возможно образование орбитального упорядочения. Электрически неоднородную систему с орбитальным вырождением можно получить путем замещения двухвалентных ионов марганца трехвалентными ионами тулия. Сульфид тулия TmS и сульфид марганца MnS имеют антиферромагнитную структуру 2-го типа упорядочения с температурой Нееля TN = 63 K и TN = 137 K соответственно. Спин-орбитальное и Ян-Теллеровское взаимодействия снимают вырождение t2g - электронных состояний и индуцируют расщепление спектра электронных возбуждений по спину. В результате диэлектрическими свойствами можно управлять электрическим и магнитным полями [1]. Цель данной работы - установить влияние магнитного поля на диэлектрические свойства в спин-неупорядоченной области в твердых растворах TmxMn1-xS.

Твердые растворы TmxMn1-xS получены методом твердофазной реакции, описанной в работе, из порошков исходных соединений в вакуумированных кварцевых ампулах в однозонной печи

* Работа поддержана грантом РФФИ № 18-32-00079 Мол_а.

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2019. Том 1

сопротивления. Емкость и тангенс угла диэлектрических потерь (tg 5) измерены на анализаторе компонентов АМ-3028 в интервале температур 80-500 К без магнитного поля и в магнитном поле H = 8 kOe. Магнитное поле прикладывалось параллельно пластинам плоского конденсатора [2; 3].

Магнитоемкостный эффект 5s = (Res(#) - Res(0)) / Res(0) определяется в результате исследования комплексной диэлектрической проницаемости. Спектральные и температурные зависимости диэлектрических констант можно использовать для обнаружения дипольного электрического момента и определения его характеристик, даже когда речь идет о локальном дипольном моменте в малых кластерах без наличия дальнего порядка. Диэлектрические свойства отражают также информацию о зарядовом транспорте и процессах зарядового упорядочения. Отклик диэлектрических свойств на воздействие магнитного поля дает возможность определить основные механизмы, определяющие взаимосвязь диэлектрических и магнитных свойств [4].

Магнитоемкость составляет 18 % для состава Tm0.05Mn0.95S. При нагревании магнитоемкость по модулю уменьшается и достигает минимума порядка 20 % при температуре T = 400 K с широкой дисперсией по частоте. Уменьшение диэлектрической проницаемости в магнитном поле вызвано спин-орбитальным взаимодействием и образованием дипольного стекла. Магнитоемкость имеет положительные значения на всем температурном интервале. Магнитоемкость де для состава Tm01Mn09S достигает максимума 40 % при T = 500 K. Этот эффект объясняется пиннин-гованием электронов проводимости на интерфейсе Mn-Tm и большим электронным вкладом в диэлектрическую проницаемость [5].

Заключение. При температуре ниже температуры Дебая поляроны пиннингуются на интерфейсе с появлением орбитального магнитного момента на узле и анизотропии диэлектрической проницаемости. Для концентраций ионов тулия, меньших концентрации протекания, образуется орбитальное «стекло», а для более высоких концентраций индуцируется дальний орбитальный порядок на интерфейсе. Изменение орбитальных корреляций магнитного углового момента в магнитном поле меняет анизотропию диэлектрической проницаемости.

Библиографические ссылки

1. Исследование транспортных свойств катион-замещенных твердых растворов YbxMn1-xS / С.С. Аплеснин, Романова О.Б., Харьков А.М., Галяс А.И. // ФТТ. 2015. Т.57. С. 872-876.

2. Аплеснин С.С., Ситников М.Н. Магнитотранспортные эффекты в парамагнитном состоянии в GdxMni-xS // ЖЭТФ. 2014. T.100. C.104-110.

3. Аплеснин С.С., Харьков А.М. Магнитные и динамические свойства твердых растворов SmxMni-xS // ФТТ. 2013. Т.55. №1. С.69-74.

4. Магнитные и электрические свойства твердых растворов YbxMni-xS / С.С. Аплеснин, Харьков А.М., Романова О.Б. и др. // Известия РАН. Серия физическая. 2013. Т. 77. № 10. С. 14721474.

5. Исследование электрических и термоэлектрических свойств сульфидов TmxMn1-xS / C.C. Аплеснин, О.Б. Романова, А.И. Галяс, В.В. Соколов // ФТТ. 2016. Т. 58. С. 21-26.

© Харьков А. М., Кретинин В.В., Мироненко В. В., 2019