CC BY
9Решетневскуе чтения. 2018
УДК 539.21:537.86
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ СЕЛЕНИДОВ МАРГАНЦА
В. В. Кретинин, О. Б. Фисенко*, М. Ю. Юхно
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: fisenko_o@mail.ru
В твердых растворах GdMn^S обнаружен магнитоемкостный эффект в парамагнитной области, для двух составов найдена смена знака магнитоемкости. Найдена функциональная зависимость частоты релаксации диэлектрических потерь от температуры. Обнаружен гистерезис электрической поляризации и остаточная поляризация в области протекания ионов гадолиния, критическая температура исчезновения поляризации.
Ключевые слова: магнитоемкость, электрическая поляризация, мультиферроики, релаксация.
ELECTRICAL POLARIZATION OF SOLID SOLUTIONS SELENIDES OF MANGANESE V. V. Kretinin, О. B. Fisenko*, M. Yu. Yukhno
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: fisenko_o@mail.ru
In solid solutions GdxMn1-xSe, a magnetocapacitance effect was detected in the paramagnetic region, and for two compositions a change in the sign of the magnetocapacity was found. The functional dependence of the relaxation frequency of dielectric losses on temperature is found. A hysteresis of the electric polarization and residual polarization in the region of the gadolinium ions are observed, the critical temperature of the disappearance of the polarization.
Keywords: magnetocapacity, electric polarization, multiferroics, relaxation.
Материалы, в которых проявляется взаимосвязь магнитных и электрических свойств, магнитоэлектри-ки и мультиферроики представляют интерес как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения. Линейный магнитоэлектрический эффект может возникнуть в результате зависимости орбитальных магнитных моментов от полярных искажений, индуцированных под действием электрического поля, так называемые «ионно-орбитальный» вклад в магнитоэлектрический отклик [1]. В электрически неоднородных системах эффект Максвелла-Вагнера может привести к гигантским значениям диэлектрической проницаемости и диэлектрической релаксации в отсутствие дипольной релаксации [2]. Эффект Максвелла-Вагнера также может индуцировать магнитоемкость в отсутствие взаимодействия между магнитной и электрической подсистемами, при условии существования магнитосопротивления в материале [3]. Такие эффекты ясно демонстрируют, что наличие магнито-емкости не достаточно для отнесения этих соединений к мультиферроикам. С другой стороны, магнито-емкость без магнитоэлектрической связи может быть более практичным для технологических применений, так как не требуется существование дальнего магнитного порядка.
Электрически неоднородную систему с орбитальным вырождением получим путем замещения двухвалентных ионов марганца трехвалентными ионами
гадолиния. Так исходные соединения селенид марганца и селенид гадолиния относятся соответственно к полупроводникам и вырожденным полуметаллам, электрическое сопротивление которых отличается в 106-109 раз [4]. Селенид гадолиния имеет кубическую кристаллическую структуру типа каменной соли и антиферромагнитную структуру 2-го типа упорядочения с температурой Нееля TN = 63 К. Селенид марганца с ГЦК решеткой имеет аналогичную магнитную структуру с ТN = 137 К . Спин-орбитальное и Ян-Теллеровское взаимодействие снимают вырождение ^ электронных состояний и индуцирует расщепление спектра электронных возбуждений по спину.
В результате диэлектрическими свойствами можно управлять электрическим и магнитным полями.
Цель данных исследований установить вклад в магнитоэлектрическую связь за счет орбитального упорядочения электронов и эффекта Максвелла-Вагнера в спин-неупорядоченной области в твердых растворах в^Мп^е.
В твердых растворах в^Мп^е проведено измерение удельного электросопротивления четырехзон-довым методом в нулевом и магнитном поле 12 кЭ, направленным перпендикулярно току. Емкость и тангенс угла диэлектрических потерь 0ё5) измерены на анализаторе компонентов АМ-3028 в интервале температур 90-450 К без магнитного поля и в магнитном
Наноматериалы и нанотехнологии в аэрокосмической отрасли
поле Н = 8 кЭ. Магнитное поле прикладывалось параллельно пластинам плоского конденсатора. Заряд на поверхности образца регистрировался на Keithley 6517b electrometer. Магнитоемкостный эффект 5еН = (е(Н,Т) - е(0,7))/е(0,7)) определяется в результате исследования комплексной диэлектрической проницаемости.
В результате проведенных исследований в твердых растворах GdxMn1-xS обнаружен магнитоемкостный эффект в парамагнитной области, для двух составов найдена смена знака магнитоемкости. Логарифм частоты релаксации диэлектрических потерь экспоненциально растет при нагревании и зависит от магнитного поля. Для концентраций ионов гадолиния в области протекания найден гистерезис электрической поляризации и остаточная поляризация, которая растет при нагревании и исчезает выше критической температуры. Остаточная поляризация связана с накоплением носителей заряда на интерфейсе ионов марганца и гадолиния, которая зависит от подвижности поляронов с перескоковым механизмом проводимости.
Экспериментальные данные объясняются в модели с орбитальным упорядочением. Замещение двухвалентного иона марганца трехвалентным ионом гадолиния приводит к вырождению t2g электронных состояний, которое снимается с понижением температуры с образованием орбитальных поляронов с анизотропными эффективными массами и орбитальных корреляций магнитного углового момента на интер-
фейсе ионов марганца и гадолиния. При температуре ниже температуры Дебая поляроны пиннингуются с образованием локальных решеточных деформаций на интерфейсе, орбитального магнитного момента на узле и анизотропии диэлектрической проницаемости. Для концентраций ионов гадолиния, 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. Делокализация электронов и переход к зонному типу проводимости приводит к положительной магнитоемкости в результате эффекта Максвелла-Вагнера.
References
1. Scaramucci A., Bousquet E., Fechner M., Mostovoy M., Spaldin N. A. Phys. Rev. Lett. 2012. Vol. 109. P. 197203.
2. G. Catalan. Appl. Phys. Lett. 2006. Vol. 88. P. 102902.
3. Parish M. M, Littlewood P. B. Phys. Rev. Lett. 2008. Vol. 101. P. 166602.
4. Prasad M., Pandit A. K., Ansari T. H., Singh R. A. Materials Chemistry and Physics. 1991. Vol. 30. P. 13.
© Кретинин В. В., Фисенко О. Б., Юхно М. Ю., 2018
