CC BY
16
УДК 537.311.31
М.А. Анисимов1, А.В. Богач2, В.В. Глушков2, С.В. Демишев2, Н.А. Самарин2,
Н.Ю. Шицевалова3, Н.Е. Случанко2
1 Московский физико-технический институт (государственный университет)
2 Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН 3 Институт проблем материаловедения им. И.М. Францевича НАНУ
Эффект Холла в NdB6
В работе выполнено исследование эффекта Холла монокристаллических образцов гексабо-рида неодима (NdBö) в области температур 2 К < T < 300 К, в магнитных полях до 8 Тл. Установлено, что угловые зависимости холловского сопротивления Rh(p) описываются простым гармоническим законом Rh (p) = Rho + Rhi cos (p) кроме антиферромагнитной (АФМ) фазы при T < Tn ~ 7,7 К, где необходим учёт вклада второй гармоники. В работе также было оценено значение холловской подвижности ßu = Rh/р. Оказалось, что ßu (T) описывается степенным законом ßu ~ T-а, а ~ 0,6. Сильное уменьшение значений холловской подвижности ßu и показателя степени а в сравнении с результатами исследования эффекта Холла для немагнитного гексаборида лантана (LaBö) указывает на значительное усиление рассеяния электронов проводимости на локализованных 4f-состояниях ионов Nd3+.
Ключевые слова: сильно коррелированные электронные системы, гексабориды, эффект Холла, холловская подвижность.
I. Введение
Среди боридов редкоземельных элементов особо выделяются соединения на основе каркасных структур из нанокластеров бора Вб и В12. В данной работе рассматривается класс гексаборидов редкоземельных элементов И,Вб. В зависимости от заполнения 4/ — и валентных 5с1 — и бв-оболочек, а также степени их гибридизации соединения данного класса характеризуются диэлектрическим (8шВб [1]), полуметаллическим (ЕиВб [2]) или металлическим (И,Вб, И, = Рг, Nd [3]) типом проводимости с различным характером магнитного упорядочения. В частности, исследуемый в работе гексаборид неодима (NdBб) переходит в АФМ состояние ниже температуры Нееля Т^ ~ 8 К [4]. Однако теоретические оценки спектра магнитных возбуждений в NdBб [5] указывают на наличие в этом соединении заметного ферроквадрупольно-го взаимодействия, которое, как правило, приводит к более сложному виду магнитной фазовой диаграммы. Для получения дополнительной информации о характеристиках носителей заряда в работе проведён цикл измерений транспортных свойств NdBб в интервале температур 2 К < Т < < 300 К в магнитных полях до 8 Тл.
II. Методика эксперимента
Исследуемые в работе монокристаллы гексаборида неодима выращены в институте проблем материаловедения НАНУ методом вертикального бестигельного индукционного зонного плавления с многократным переплавом в атмосфере аргона. Контроль качества образцов осуществлялся при
помощи рентгеноструктурного и микрозондового анализа. Подготовка образцов к измерениям эффекта Холла включала электроэрозионную резку и последующую шлифовку. Особое внимание уделялось удалению поверхностного слоя, нарушенного в результате электроэрозионной и механической обработок, для чего после шлифовки образцов проводилось химическое травление поверхности в водном растворе азотной кислоты.
Измерения эффекта Холла осуществлялись на установке для гальваномагнитных измерений, аналогичной использовавшейся в [6]. Высокая точность стабилизации температуры (ДТ ~ 0,01 К-0,02 К) и магнитного поля (около 10~5 при 8 Тл), необходимая для прецизионных исследований характеристик зарядового транспорта, достигалась благодаря использованию оригинального температурного контроллера на цифровых сигнальных процессорах (CRYOTEL, ТС 1,5/300) в схеме с эталонным термометром модели СЕКМОХ-1050 и источника тока сверхпроводящего магнита (CRYOTEL, БМРБ-120). Измерения малых напряжений с потенциальных контактов к образцу осуществлялись благодаря использованию двухканальных нановольтметров КеуШеу (США) модели 2182. Для уменьшения влияния паразитных термоэдс и других наводок измерения проводились на постоянном токе в режиме коммутации измерительного тока через образец. Сбор и обработка экспериментальных данных, а также управление параметрами и режимами работы устройств и блоков осуществлялись системой регистрации и управления на базе микропроцессорного устройства, связанного с персональным компьютером.
Рис. 1. Угловые зависимости холловского сопротивления К (р) в АФМ (а, в) и ПМ (б, г) фазах NdB6 в магнитных полях у,0Н = 4 Тл (а, б) и /л0Н = 7,8 Тл (в, г) соответственно. Линии соответствуют вкладам первой гармоники (сплошная), второй гармоники (пунктирная с точкой) и суммы первой и второй гармоник (пунктирная). На нижней панели (б) приведена схема вращения образца в магнитном поле
III. Результаты и дискуссия
Полученные угловые зависимости холловского сопротивления Rh(p’) для антиферромагнит-ной и парамагнитной фаз NdB6 представлены на рис. 1а, 1б (в поле лоИ = 4 Тл) и рис. 1в, 1г (в поле лоИ = 7,8 Тл) соответственно. В отличие от гексаборида церия, для которого угловые зависимости Rh(y>) анализировались с учётом вклада второй гармоники Rh(р) = Rh0 + Rhi cos (р) + + Rh2 cos 2 (р — Др) (где Rh — сопротивление хол-ловских контактов, р — угол между магнитным полем и нормалью к поверхности образца, Др — разность фаз первой и второй гармоник) [7], в исследуемом NdB6 Rh(р) описывается простым гармоническим законом Rh(p) = Rh0 + Rhi cos(p) в области температур 2 К < T < 300 К в полях лоИ ^ 4 Тл. Однако вклад второй гармоники Rh2 cos 2 (р — Др) становится заметен в АФМ фазе в области магнитных полей лоИ ^ 4 Тл (рис. 1в), что, тем не менее, не усложняет анализ коэффициента Холла в NdB6.
Согласно используемой экспериментальной схеме, Rh вычисляется из соотношения Rh = = Rhi • d/И, где d — толщина образца. На рис. 2а представлена температурная зависимость коэффициента Холла для гексаборида неодима. Оказалось, что коэффициент Холла в NdB6 слабо за-
висит от температуры (Rh ~ -3,7 • 10
-4
обнаруживая небольшую особенность 8%) в ви-
де широкого минимума в окрестности температур T ~ 40 К-70 К. При этом переход в АФМ фазу при температуре Нееля Tn ~ 7,7 К приводит к резкому уменьшению значений Rh до величины rh ~ -4,5 • 10-4 см3/К при T = 2,5 К (рис. 2а). Заметим, что в пределах экспериментальной погрешности найденные значения Rh согласуются с результатами исследования Rh [3], но оказываются более точными.
Также в работе оценена холловская подвижность )âh = Rh/Р (рис. 2б). Установлено, что цн растёт с понижением температуры, достигая максимального значения цн (NdBe) « 700 см2/(В • с). При этом в области промежуточных и высоких температур 50 К < T < 300 К зависимость âh (T) описывается степенным законом T-а с показателем степени a (NdBe) « 0,6. Схожее поведение наблюдается и у немагнитного аналога NdBe — гексаборида лантана (LaBe). Однако максимальное значение холловской подвижности оказывается в нём существенно больше âh (LaBe) « 21 000 см2/(В-с). Более того, в случае LaBe высокотемпературное поведение âh (T) также описывается степенным законом, но величина показателя степени a(NdBe) « 1,5 значительно превосходит значение, найденное для NdBe. Таким образом, сопоставляя максимальные значе-
см
ния холловской подвижности и показателей степени а для магнитного NdB6 и немагнитного LaB6, а также основываясь на результатах анализа магни-тосопротивления и данных по исследованию коэффициента теплопроводности и результатов ЯМР из работ [8, 9], можно сделать вывод о значительном усилении магнитного рассеяния электронов проводимости на 4/-центрах Nd3+ в области температур Т < 20 К.
о
-3,6
-3,8
-4,0
-4,2
-4,4
1000 т
<и
о
*
PQ
100
к
=L
1 1 II ММ | 1 1 1 1 1 1 1 1 | 1 Л.'*
•
• а
• • • NdBc 6
• л б
ч • А
-—г 1
TN 11 і і
10
100
Т, К
Рис. 2. Температурные зависимости (а) коэффициента Холла Ки (Т) и (б) холловской подвижности р,и (Т) в NdB6. На панели (б) сплошной линией представлен результат аппроксимации зависимостью вида Т-а
IV. Заключение
ла гексаборида неодима в области температур
2 К < T < 300 К, в полях до 8 Тл. Сопоставление найденных значений коэффициента Холла и холловской подвижности с данными для немагнитного гексаборида лантана (LaBe) указывает на значительное усиление магнитного рассеяния электронов проводимости на 4/-центрах Nd3+.
Литература
1. Flachbart K, Gloobs K. [et al.]. Energy gap of the intermediate-valent SmB6 studied by point-contact spectroscopy // Phys. Rev. B. — 2001. — V. 64. — P. 085104.
2. Wigger G.A., Monier R. [et al.]. Electronic transport in EuB6 // Phys. Rev. B. — 2004. — V. 69. — P. 125118.
3. Onuki Y, Umezawa A. [et al.]. High-field magnetoresistance and de Haas-van Alphen effect in antiferromagnetic PrB6 and NdB6// Phys. Rev. B. — 1989. — V. 40. — P. 11195.
4. Goodrich R.G., Harrison H. [et al.]. Fermi surface changes across the Neel phase boundary of NdBe // Phys. Rev. Lett. — 2006. — V. 97. -P. 146404.
5. Awaji S., Kobayashi N. [et al.]. Metamagnetic transition in NdBe with a small magnetic anisotropy in Low magnetic fields // Phys. Soc. Jpn. — 1999. — V. 68. — P. 2518.
6. Sluchanko N.E., Bogach A.V. [et al.]. Genesis of the anomalous Hall effect in CeAl2 // JETP. — 2004. — V. 98. — P. 793.
7. Sluchanko N.E., Bogach A.V. [et al.]. Enhancement of band magnetism and features of the magnetically ordered state in the CeB6 compound with strong electron correlations // JETP. — 2007. — V. 104. — P. 120.
8. Sera M., Kobayashi S. [et al.]. Thermal conductivity of RB6 (R = Ce,Pr,Nd,Sm,Gd) single crystals // Phys. Rev. B. — 1996. — V. 54. — P. R5207.
9. Takagi S. [et al.]. Boron-11 nuclear relaxation studies of praseodymium hexaboride and neodymium hexaboride // J. Magn. Magn. Mat. — 1985. — V. 52. — P. 267.
Подводя итог, укажем, что в работе выполнены подробные измерения коэффициента Хол-
Поступила в редакцию 29.12.2008.
