CC BY
53
УДК 538.93
СУПЕРИОННАЯ ПРОВОДИМОСТЬ La0.5Ca0.5Mn0.5Fe0.5O3 SUPERIONIC CONDUCTIVITY OF La0.5Ca0.5Mn0.5Fe0.5O3
Ю.С. Некрасова 1, В.С. Захвалинский 1, С.В. Таран 1, Та Тху Чанг 2, Е.А. Пилюк 1 Yu.S. Nekrasova 1, V.S. Zakhvalinskii 1, S.V. Taran 1, Ta Thu Thang 2, E.А. Pilyuk 1
1 Белгородский Государственный Национальный Исследовательский Университет, Россия, 308015,
Белгород, ул. Победы, 85
Belgorod National Research University, 85 Pobedy St, Belgorod, 308015, Russia
2 Университет дружбы народов, Росссия, Москва, 117198, ул. Миклухо-Маклая, д.6
Peoples' Friendship University of Russia, 6, Miklukho-Maklaya St, Moscow, 117198, Russia
E-mail: zakhvalinskii@bsu.edu.ru
Аннотация. Исследована температурная зависимость удельного сопротивления, р, керамического образца La0.5Ca0.5Mn0.5Fe0.5O3 в диапазоне T ~ 10 - 310 K в нулевом магнитном поле и при B = 1 Тл. В области низких температур T ~ 60 - 100 K исследуемый образец демонстрирует металлическое поведение. В обоих случаях установлено наличие суперионной проводимости при T > 170 K. Температура разупорядочения анионной подрешётки Td составила ~ 176 K и 273 K в нулевом магнитном поле и ~ 182 K в поле величиной 1 Тл.
Resume. The resistivity, р, is investigated of ceramic La0.5Ca0.5Mn0.5Fe0.5O3 sample at temperatures T ~ 10 - 310 K in magnetic field B =0 and B = 1 T. At low-temperature range the sample shows the metallic behavior. The superionic conductivity at temperatures T > 170 is observed. The temperature of disordering of anion sub-lattice Td ~ 176 K and 273 K in zero field and ~ 183 K in magnetic field equal to 1 T.
Ключевые слова: манганит перовскит, суперионная проводимость, магнетосопротивление, механизм электропроводности.
Key words: manganite perovskite, superionic conductivity, magnetoresistance, conductivity mechanism.
Введение
В настоящей работе керамические образцы La0.5Ca0.5Mn0.5Fe0.5O3 были получены методом стандартной твердотельной реакции из стехиометрических количеств La2Oз, СаСОз, МПО2, и Fe2Oз в результате многократных измельчений и отжигов при температуре 1200°С. Окончательный отжиг проводился при температуре 1375оС в течении 22 часов после прессовки керамических таблеток под давлением 2000 кг/см2. Качество полученных образцов контролировалось методами порошкового рентгенофазового анализа и методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (ЕБХ). Рентгенофазовый анализ показал, что соединение La0.5Ca0.5Mn0.5Fe0.5O3 имеет орторомбическую кристаллическую структуру Pnma с параметрами решётки a = 5.448(30), Ь = 7.692(50), c = 5.382(70). Анализ нейтронных данных подтвердил наличие сингонии Pnma с разупорядочением ионов Мп и Fe. Объем элементарной ячейки при комнатной температуре V » 224 А3.
Исследования температурной зависимости удельного сопротивления проводились в диапазоне температур T = 5 - 310 К с использованием стандартного шестизондового метода в поперечном магнитном поле величиной B = о и B = 1 Тл, при повышении и понижении температуры.
В области низких температур T ~ 60 - 100 К удельное сопротивление исследуемого образца демонстрирует металлическое поведение. Согласно графику, изображённому на рисунке 1, удельное сопротивление линейно зависит от температуры в нулевом магнитном поле. С повышением температуры наблюдается резкое падение удельного сопротивления. В магнитном поле величиной 1 Тл при этом температурная зависимость удельного сопротивления носит квадратичный характер выше Т-170 К.
Рис. 1 . График температурной зависимости удельного сопротивления образца La0.5Ca0.5Mn0.5Fe0.5O3 в нулевом магнитном поле и в поле величиной 1 Тл
Fig. 1 . The graph of the temperature dependence of the resistivity of the sample La0.5Ca0.5Mn0.5Fe0.5O3 in zero
magnetic field and in the field of 1 Tesla
График зависимости проводимости от обратной температуры (рисунок 2) демонстрирует поведение, подобное материалам, описанным в работе [1].
Рис. 2. График зависимости электропроводности от обратной температуры образца La0.5Ca0.5Mn0.5Fe0.5O3 в нулевом магнитном поле и в поле величиной 1 Тл (вставка)
Fig. 2. Graph of the electrical conductivity of the sample temperature feedback La0.5Ca0.5Mn0.5Fe0.5O3 in zero magnetic field and in the field of 1 Tesla (inset)
В диапазоне температур от 100 К до 170 К происходит фазовый переход, после которого наблюдается резкое увеличение электропроводности, что позволяет сделать предположение о наличии в образце La0.5Ca0.5Mn0.5Fe0.5O3 суперионной проводимости. Так как компенсация заряда при замещении трёхвалентных ионов редкоземельных элементов на двухвалентные катионы сопровождается образованием вакансий в анионной подрешётке, то наиболее вероятным является транспорт заряженных частиц по вакансионному механизму. Поведение температурных зависимостей электропроводности определяется структурой и степенью разупорядоченности анионной подрешёт-ки [2].
Суперионная проводимость описывается уравнением Аррениуса
где Ес = и + д. Здесь и - энергетический барьер, равный свободной энергии активации при постоянных давлении и температуре; д - свободная энергия по Гиббсу образования дефекта по Шоттки [3].
Параметры Еа и 00 , представленные в таблице 1, найдены путём логарифмирования обеих частей уравнения (1):
Уравнение (2) представляет собой линейную зависимость 1п(стТ) от 1/Т (рисунок 3). Параметры прямой определяют значения энергии активации и предэкспоненциального множителя.
0,0031 0,0032 0,0033 0,0034 0,0035 0,0036 0,0037 0,0038
1,Т
Рис. 3. График зависимости ln(oT) от обратной температуры образца La0.5Ca0.5Mn0.5Fe0.5O3 в нулевом
магнитном поле
Fig. 3. A plot of ln (aT) Reverse La0.5Ca0.5Mn0.5Fe0.5O3 sample temperature at zero magnetic field
Таблица 1 Table 1
Значений энергии активации и предэкспоненциального множителя ионной проводимости и температуры разупорядочения в различных интервалах температур в нулевом магнитном поле
и в поле величиной В = 1 Тл
B, Тл Т, К 00, om-1-m-1-k Ea, эВ Td, К
130-170 284.3±4.8 (1.67±0.02>10-2 -
0 180-230 (9.95±0.17>107 0.210±0.003 176.1±3.9
240-300 (1.08±0.23>109 0.266±0.005 273.4±7.4
30-50 (2.34±0.05>10-2 (8.1±0.5>10-5 -
1 130-180 284.8±8.4 (1.67±0.04>10-2 -
180-320 (4.69±0.78>108 0.241±0.003 182.2±3.8
Температура разупорядочения анионной подрешётки Та (таблица 1), определена по формуле
Е(2) - Е(1)
* "(1па(1) - 1па<2))• к ' С3)
где Еи 1пст((г) - значения энергии активации и предэкспоненциального множителя двух соседних
температурных диапазонов, к - постоянная Больцмана [2].
Таким образом, исследование температурной зависимости удельного сопротивления, р, керамического образца La0.5Ca0.5Mn0.5Fe0.5O3 в диапазоне температур T ~ 10 - 310 K в нулевом магнитном поле и при В = 1 Тл позволяет сделать предположение о наличии суперионной проводимости при Т > 170 ^ Температура разупорядочения анионной подрешётки Та составила ~ 176 K и 273 K в нулевом магнитном поле и ~ 182 K в поле величиной 1 Тл.
Работа поддержана грантом РФФИ № 15-42-03192.
Список литературы
1. Сардарлы Р.М. Суперионная проводимость в кристаллах TlGaTe2 / О.А. Самедов, А.П. Аб-дуллаев, Э.К. Гусейнов, Э.М. Годжаев, Ф.Т. Салманов // Физика и техника полупроводников. -2011. - Т. 45. - Вып. 8. - С. 1009-1013.
Sardarli R.M. Superionic conductivity in TlGaTe2 crystals /O.A. Samedov, A.P. Abdullayev, E.K. Huseynov, E.M. Qocayev, F.T. Salmanov // Semiconductors. - 2011. - V. 45. - Iss. 8. - P. 975-979
2. Сорокин Н.И. Суперионная проводимость гетеровалентных твердых растворов Ri-xMxF3-x (R = РЗЭ, M = Ca, Ba) со структурой типа тисонита / Н.И. Сорокин, М.В. Фоминых, Е.А. Кривандина, З.И. Жмурова, В.В. Фистуль, Б.П. Соболев // Физика твёрдого тела. - 1999. - Т. 41. - Вып. 4. - С. 638-640.
Sorokin N.I. Superionic conductivity of the heterovalent solid solutions Ri-xMxF3-x (R = REE, M = Ca, Ba) with tysonite-type structure / N.I. Sorokin, E.A. Krivandina, Z.I. Zhmurova, B.P. Sobolev, M.V. Fominykh, V.V. Fistul' // Physics of the Solid State. - 1999. - V. 41. - Iss. 4. - P. 573-575
3. Иванов-Шиц А.К. Ионика твёрдого тела: в 2 т., т. 1 / А.К. Иванов-Шиц, И.В. Мурин. - СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2000. - 616 с.
Ivanov-Shits A.K. Ionica of solid state / A.K. Ivanov-Shits, I.V. Murin. - Spb., 2000. - 616 p.
