CC BY
2
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2022. Том 1
УДК 539.21:537.86
ЭФФЕКТ ХОЛЛА В ТВЕРДЫХ РАСТВОРАХ LuxMni_xS
Гельгорн А. В., Ситников Р. А., Рунов Р. В.
Научный руководитель - Харьков А. М.
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
*E-mail: gelgorn.sasha@gmail.com
Проведены исследования эффекта Холла в твердых растворах LuxMn1-xS с концентрациями x = 0.05 и x = 0.2 в области температур 80-400 К. Из константы Холла найдена смена знака носителей тока по температуре и концентрации.
Ключевые слова: твердые растворы, энергия активации, эффект Холла.
HALL EFFECT IN SOLID SOLUTIONS LuxMni-xS
Gelgorn A. V., Sitnikov R. A., Runov R. V. Scientific supervisor - Kharkov A. M.
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation *E-mail: gelgorn.sasha@gmail.com
The Hall effect was studied in LuxMn1-xS solid solutions with concentrations x = 0.05 and x = 0.2 in the temperature range 80-400 K. From the Hall constant, a change in the sign of the current carriers in temperature and concentration is found.
Keywords: solid solutions, activation energy, Hall effect.
Исследование магнитотранспортных эффектов представляет фундаментальную задачу с возможным применением в спинтронике. В результате исследования эффекта Холла обнаружена смена типа проводимости от p- к n- типу. Соединения на основе лютеций марганцевых сульфидов имеют практическую значимость в разработке новых материалов для спинтроники [1].
Цель исследования установить константу Холла (Rh) и подвижность ц при замещении катионов марганца ионами лютеция (Lu).
Холловское напряжение измерялось при фиксированных температурах с усреднением по 100 точкам в магнитное поле 12 кЭ, направленном перпендикулярно току с изменением полярности магнитного поля. Константа Холла (RH) для LuxMn1-xS приведена на рис. 1а для двух концентраций x = 0.05 и x = 0.2. Выделим две области на температурной зависимости RH(T): магнитоупорядоченную и область температур, где исчезает гистерезис электрической поляризации. В твердых растворах сульфидов марганца, замещенных редкоземельными элементами RexMn1-xS, температура Нееля уменьшается от 150 К до 100-110 К при х = 0.2. Константу Холла, концентрацию n = 1/qRH и подвижность ц = RH/R (R - сопротивление образца) определим в однозонной модели. Эти параметры являются эффективными и позволяют из температурной зависимости определить тип носителей тока и дать качественную оценку механизма рассеяния носителей тока.
Секция «Перспективные материалы и технологии»
3x10 2х106-
О
3 1x106H
" 0 * 6
-1x106-
-2x10
100
200 300 T, K
400
102 100
£
310-2 О
^10-4 10-6
100
200 300 T, K
400
Рис. 1. Температурная зависимость константы Холла RH (a) и подвижности ц (b) для LuxMn1-xS с х = 0.05 (1) и для x = 0.2 (2).
В LuxMn1-xS с х = 0.05 и x = 0.2 носителями тока являются дырки и электроны. При замещении марганца ионами лютеция меняется p- тип на n- тип проводимости для концентрации x = 0.2. В сульфиде марганца в области температуры Нееля наблюдается сдвиг, связанный с уширением запрещенной зоны на 0.1 eV. В результате сдвига зоны проводимости, химпотенциал смещается к электронной примесной подзоне, концентрация носителей тока уменьшается, а подвижность растет в связи с увеличением длины свободного пробега дырок X ~ 1/p. В магнитоупорядоченной фазе концентрация уменьшается на порядок и подвижность растет на такую же величину, поэтому сопротивление практически не меняется в области магнитного перехода.
Константа Холла (RH) меняет знак при нагревании в интервале 100-120 К с отрицательного на положительный при x = 0.2. На доменных границах Lu-Mn реализуется ФМ упорядочение и спин-поляронная подзона расщепляется по спину, что приводит к росту эффективной массы и уменьшению подвижности ниже температуры Нееля.
В области температуры максимумов остаточной электрической поляризации и диэлектрической проницаемости, концентрация носителей тока достигает максимума, а подвижность носителей тока минимума (рис. 1b). Ниже температуры локализации электронов Tioc подвижность качественно описывается функцией: ц = Aexp(AE/kT), T < Tioc, x < xc с энергией активации ДЕ = 0.42 эВ, которая обусловлена Кулоновским взаимодействием электронов и дырок. Аномалии в RH(T) при 270 К связаны с изменением подвижности носителей тока. Так для х = 0.05 в интервале 210-270 К концентрация электронов увеличивается на порядок, подвижность уменьшается на два порядка, для х = 0.2 уменьшение подвижности и рост концентрации носителей тока сравнимы по величине [2].
Работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ № МК-620.2021.1.2.
Библиографические ссылки
1. Electrical resistance and impedance of manganese sulfides, substituted by lutetium / A.M. Kharkov, M.N. Sitnikov, O.B. Begisheva, A.V. Gelgorn, O.S. Nikitinskiy, N.A. Cheremnykh // IOP Conference Series 2021. V. 1181. P. 012006.
2. Magnetoresistance and Electric Polarization in the LuxMn1_xS Compound / S.S. Aplesnin, M.N. Sitnikov, A.M. Kharkov, O.B. Begisheva, F.V. Zelenov // Physica Status Solidi B 2022. V. 259. P. 2100555.
© Гельгорн А. В., Ситников Р. А., Рунов Р. В., 2022
