CC BY
7Наноматериалы и нанотехнологии в аэрокосмической области
УДК 539.21:537.86
СТРУКТУРНЫЕ И МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЕ СВОЙСТВА GdxMn1-xS
С. С. Аплеснин, М. Н. Ситников, А. В. Гирн
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева Россия, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31. Е-mail: kineru@ mail.ru
Для трех составов GdxMn1-xS (x = 0,1; 0,15; 0,2) проведены измерения электрического сопротивления двух-и четырехконтактным методом в области температур 80 К < T < 600 K без магнитного поля и в магнитном поле Н = 0,8 Тл. Установлено что в твердых растворах GdxMn1-xS для всех составов наблюдаются магниторе-зистивные эффекты.
Ключевые слова: магниторезистивный эффект, полупроводники, электросопротивление.
STRUCTURAL AND MAGNETORESISTIVE PROPERTIES GdxMn1-xS
S. S. Aplesnin, M. N. Sitnikov, A. V. Girn
Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russia. E-mail: kineru@ mail.ru
For the three compounds GdxMn1-xS (x = 0,1; 0,15; 0,2) the electric resistance are measured by two and four -contact method in the temperature region 80 K < T < 600 K in zero magnetic field and in magnetic field H = 0,8 Tesla. It is found that in solid solutions GdxMn1-xS for all compositions magnetoresistive effects is observed.
Keywords: magnetoresistive effect, semiconductance, resistivity.
Полуметаллы, полученные на основе магнитных полупроводников, являются потенциальными объектами для применения материалов в спинтронике. Сульфиды марганца, замещенные гадолинием, образуют твердые растворы с полуметаллическим типом проводимости. Потенциальная привлекательность данных соединений связана и с тем, что изотопы гадолиния поглощают нейтроны, что может быть использовано в аэрокосмической промышленности. Моносульфид а-М^ - антиферромагнетик (Тм = 150 К) с ГЦК решеткой типа №С1 [1]. В его магнитной структуре реализуется ферромагнитное упорядочение магнитных моментов ионов марганца в плоскости типа (111) и антиферромагнитное упорядочение -между плоскостями. Расчеты зонной структуры а-М^, выполненные методом функционала электронной плотности, указывают на частичное заполнение верхних хаббардовских и её-зон вследствие р-d гибридизации ионов серы и марганца. Проводимость, обусловленная электронами, лежащими ниже уровня Ферми в и её-зонах, имеет дырочный характер, что подтверждается измерениями термоЭДС и эффекта Холла [2].
GdS - антиферромагнитный металл с температурой Нееля Тм = 45 К [3]. Ионы гадолиния имеют электронную конфигурацию Два электрона переходят на ион серы, а один электрон переходит в зону проводимости. Для иона гадолиния ^оболочка заполнена наполовину, и электроны наиболее близко расположены к ядру. Высоко лежащие уровни энергии ^состояний находятся вблизи дна зоны проводимости в окрестности химпотенциала. Зонные состояния образуются в результате s-d гибридизации электронов на катионах марганца и гадолиния.
Изменение удельного электросопротивления в магнитном поле Н = 0,8 Т(а) и зависимость сопротивления от температуры в полях Н = 0 (1), 0,8 Т (2) (Ь).
100 200 300 400 500
т, к
Согласно данным рентгеноструктурного анализа образцы GdхMn1_хS (0,04 < Х < 0,25) имеют гранецен-трированную кубическую (ГЦК) решетку типа №С1,
Х 0,04 Х = 0,1 Х = 0,25
Mn 56,46 0,61 Ir 0,054 0,012 Mn 52,93 0,25 Zn 0,099 0,01 Mn 37,12 0,28 Ti 0,282 0,03
S 34,25 0,41 Pt 0,027 0,013 S 33,16 0,25 Nb 0,007 0,0024 Gd 31,98 1,36 Zn 0,107 0,014
Gd 7,95 2,1 Ba 0,0173 0,0072 Gd 13,08 1,95 S 29,25 0,23 Ca 0,056 0,016
Zn 0,151 0,014 In 0,0105 0,0028 Pt 0,047 0,02 Co 0,619 0,083 K 0,036 0,012
Ta 0,072 0,03 Sb 0,0066 0,0028 Co 0,254 0,036 Pt 0,51 0,21 Hg 0,031 0,014
характерную для а-Мп8. С увеличением степени ка-тионного замещения Х параметр элементарной ячейки а растет от 0,522 нм для а-Мп8 до 0,532 нм для О^,3Мп0,7Б в соответствии с возрастанием ионного радиуса замещающего элемента (г = 0,83 А для Мп, г = 0,94 А для Оф. Как следствие, параметр решетки увеличивается с ростом концентрации гадолиния от -5,216 А до -5,621 А для Оф>,25МП0,75$.
Для всех составов проведен рентгено-флюорес-центный анализ. Данные по химическому составу элементов представлены в таблице. Изучение кристаллической структуры полученных образцов проведено при комнатной температуре в монохроматическом Си^а-излучении на рентгеновской установке ДРОН-3.
Для трех составов ОфМп1-х8 (х = 0,1; 0,15; 0,2) в области протекания ионов гадолиния по решетке проведены измерения электрического сопротивления двух- и четырехконтактным методом в области температур 80 К < Т < 600 К без магнитного поля и в магнитном поле Н = 0,8 Тл.
Для состава с х = 0,1 температурная зависимость сопротивления имеет типичный вид примесного полупроводника, и для Т > 500 К сопротивление не зависит от температуры.
Трехвалентные ионы гадолиния образуют донор-ный уровень, который находится вблизи дна зоны проводимости. При нагревании концентрация электронов на уменьшается, и происходит «вымораживание» примесного уровня, в то время как подвижность носителей тока достигает максимальной величины. В магнитном поле сопротивление увеличивается на несколько процентов в интервале температур 100 К < Т < 300 К, и при дальнейшем нагревании маг-нитосопротивление резко возрастает и достигает величины 110 % в окрестности Т = 400 К.
В случае протекания ионов гадолиния по ГЦК решетке для X > Хс = 0,16 удельное сопротивление при Т = 300 К уменьшается в 108 раз. Зависимость сопротивления от температуры имеет минимум при Т = 300 К, проходит через максимум при Т = 500 К для состава с Х = 0,2. В магнитном поле эти температуры сдвигаются в область высоких температур. Температурные зависимости удельного сопротивления представлены на (см. рисунок). Магнитосопротивле-ние 5 = (р(Н)-р(0))/р(0) обнаруживает максимум в области температуры перехода в магнитоупорядочен-ную фазу и меняет знак с положительного на отрицательный при Т = 320 К.
В интервале температур 380-450 К магнитосопро-тивление по модулю имеет наибольшее значение, и
теплоемкость также обнаруживает широкий максимум [4]. Магаиторезистивный эффект в области высоких температур обусловлен электронами Gd3+, у которого один электрон находится в суперпозиции квантовых 5d и 4f состояний с термом 6Pj. В ГЦК решетке электрон вырожден по t2g состояниям, и это вырождение снимается в результате взаимодействия с упругими модами колебаний октаэдра, т. е. динамического эффекта Яна-Теллера.
Итак, протекание ионов гадолиния по ГЦК решетке не приводит к металлическому типу проводимости. В твердых растворах GdxMni-xS для всех составов наблюдаются магниторезистивные эффекты в области высоких температур при Т > 300 K, которые объясняются орбитальными степенями свободы электрона.
Библиографические ссылки
1. Романова О. Б., Рябинкина Л. И., Соколов В. В., Пичугин А. Ю., Великанов Д. А., Балаев Д. А., Га-ляс А. И., Демиденко О. Ф., Маковецкий Г. И., Янушкевич К. И. Solid State Comm. 150, 2010. С. 602-604.
2. Heikens H. H., Brüggen C. F., Haas C. // J. Phys. Chem. Soc. 39, 1978. 833 с.
3. Голубков А. В., Гончарова Е. В., Жузе В. П., Логинов Г. М., Сергеева В. М. Физические свойства халькогенидов редкоземельных элементов. Л. : Наука. Ленингр. отд-ние, 1973.
4. Аплеснин С. С., Романова О. Б., Горев М. В., Великанов Д. А., Гамзатов А. Г., Алиев А. М. // J Phys. : Condens. Matter 25. 2013. 025802 (5 с.).
References
1. Romanova O. B., Ryabinkina L. I., Sokolov V. V., Pichugin A. Yu., Velikanov D. A., Balaev D. A., Galyas A. I., Demidenko O. F., Makovetskii G. I., Yanushkevich K. I. Solid State Comm. 150, 2010, pp. 602-604.
2. Heikens H. H., Bruggen C. F, Haas C., J. Phys. Chem. Soc. 39, 1978, 833 p.
3. Doves A. V., Goncharova, E. V., José V. P., Logi-nov G. M., Sergeyev V. M. Fizicheskiye svoystva khal'kogenidov redkozemel'nykh elementov, Nauka, Leningra 1973.
4. Aplesnin S. S., Romanova O. B., Gorev M. V., Velikanov D. A., Gamzatov A. G., Aliev A. M. // J Phys. : Condens. Matter 25. 2013. 025802 (5 p.).
© Аплеснин С. С., Ситников М. Н., Гирн А. В., 2013
