Электрические свойства кобальтита висмута с зарядовым упорядочением Текст научной статьи по специальности «Физика»

Решетневскце чтения

S. S. Aplesnin, O. N. Bandurina, O. B. Romanova Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev, Russia, Krasnoyarsk

A. Y. Korets Siberian Federal University, Russia, Krasnoyarsk

K. I. Yanushkevich

State Scientific Production Association «Material Science Center of the National Academy of Sciences of Belarus»,

Belarus, Minsk

EXCITON STATES IN MnSel-xTex

The authors present the results of anion-substituted MnSel-ХТеХ chalcogenides measured absorption lines for the energies hm = 1000 cm-1-12 000 cm-1. The additional absorption lines found in the MnSel-xTex solid solution with х = 0.4 near the conductivity band. The lines are described within the model of the excitons with the exciton binding energy Eb = 0.42 eV.

© Аплеснин С. С., Бандурина О. Н., Романова О. Б., Корец А. Я., Янушкевич К. И., 2011

УДК 669.713.7

С. С. Аплеснин, М. Н. Ситников, Л. В. Удод Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск

А. И. Галяс

Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению, Минск, Беларусь

Nguyen Anh Tuan

Faculty of Physics, Hanoi University of Science, Thanh Xuan, Hanoi, Vietnam

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОБАЛЬТИТА ВИСМУТА С ЗАРЯДОВЫМ УПОРЯДОЧЕНИЕМ*

Измерены зависимости электросопротивления в кобальтите висмута в интервале температур 80 К < T < 800 K. Установлено необратимое поведение электрического сопротивления ниже Т< 950 K и уменьшение энергии активации на 0,5 эВ. Проведены измерения термоЭДС в области температур 100 К < T < 1000 K. Обнаружен кроссовер температурного поведения термоЭДС с полупроводникового типа на металлический. Электрические свойства объясняются в модели с зарядовым упорядочением и электрон-фононным взаимодействием.

Соединения со смешенной валентностью проявляют необычные магнитные и электрические свойства. К ним относятся манганиты Ьа1-хАхМп03 (А = Sr, Са, Ва), в которых наблюдается орбитальное, спиновое и зарядовое упорядочение. Хорошо исследованы окислы железа Fe304 с зарядовым упорядочением в магнитоупорядоченной области. Чтобы избавиться от сопутствующих взаимодействий и рассмотреть зарядовое упорядочение как переход к электронной системе, рассмотрим электроны в s-состояниях. К таким соединениям можно отнести Bi24(CoBi)04o, в котором существуют ионы висмута с заполненной 6s2 и пустой 6s оболочкой. Разрушение зарядового упорядочения может привести к электронно-структурному переходу и температурным аномалиям кинетических свойств.

Цель данной работы заключается в исследовании механизмов электросопротивления в полупроводнике В^4(СоВ^О40, содержащим ионы висмута в кристаллических неэквивалентных состояниях.

Кобальтит висмута был получен методом твердофазной реакции. Рентгеноструктурный анализ показал, что синтезированное вещество имеет химическую формулу В^4(СоВ^О40, кубическую симметрию с пространственной группой 123 и параметром решетки а = 10,1917(1) А. Элементарная ячейка содержит одну формульную единицу.

Измерение электросопротивления было проведено двух и четырехконтактным методами для двух образцов В^4(СоВ^О40 и Со304 как при нагревании образцов, так и при охлаждении (рис. 1). Для соединения В^4(СоВ^040 сопротивление хорошо описывается экспоненциальной зависимостью в интервале 190 К < Т < 760 К с энергией активации АБ = 0,23 еУ. При дальнейшем нагревании р(Т) резко уменьшается и при Т = 950 К наблюдается скачок с необратимым ходом поведения электросопротивления при охлаждении с меньшей энергией активации АБ = 0,18 еУ.

*Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ № 09-02-00554-a, 09-02-92001-HHC-a, № 11-02-98018 и АФЦП N 2.1.1/401.

Перспективные материалы и технологии в аэрокосмической отрасли

Данное состояние является метастабильным и сопротивление растет по логарифмическому закону от времени измерения при фиксированной температуре. Сравнение рентгенограмм до и после нагрева указывает на смещение пиков на 0,4 % и, соответственно, на увеличение постоянной решетки. Уменьшение сопротивления и рост постоянной решетки указывают на взаимосвязь электрических и структурных свойств.

103/Т

Рис. 1. Температурная зависимость сопротивления для В124(СоВ1)О40 при нагревании и охлаждении

В температурной зависимости термоЭДС (рис. 2) можно выделить две области. Первая из них -150 К < Т < 250 К, где наблюдается типичная полупроводниковая зависимость а(Т) ~ АБ/кТ с энергией активации АБ = 0,23 еУ. Область 250 К < Т < 950 К можно рассматривать как смесь двух состояний; полупроводниковой и металлической, описываемых апроксимационной кривой вида а(Т) = А/Т + В Т с параметрами А = 162, В = 0,0003 .

Итак, резкий скачок в электросопротивлении полупроводника В124(СоВ1)О40 обусловлен в результате разрушения зарядового упорядочения пар В1+5+В1+3 ^ В1+4+В1+4 . Ионный радиус В1+4 катиона отличается от среднеарифметического значения ионных радиусов Я(В1+5)+Я(В1+3), что приводит к увеличению упругой энергии и понижению энергии в электронной системе за счет увеличения гибридизации и, соответственно, роста ширины зоны проводимости, что является причиной уменьшения сопротивления.

200 400 600 800 1000 T, K

Рис. 2. Температурная зависимость термоЭДС соединения В124(СоВ1)О40: эксперимент (1) и подгоночная функция (2) а(Т) = А/Т + В Т с параметрами А = 162, В = 0,0003

При Т = 950 К в В124(СоВ1)О40 зарядовое упорядочение исчезает, и наблюдается переход в металлическое состояние.

S. S. Aplesnin, M. N. Sitnikov, L. V. Udod Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev, Russia, Krasnoyarsk

A. I. Galyas

State Scientific Production Association «Material Science Center of the National Academy of Sciences of Belarus», Belarus, Minsk

Nguyen Anh Tuan

Faculty of Physics, Hanoi University of Science, Thanh Xuan, Hanoi, Vietnam

ELECTRICAL PROPERTIES OF BISMUTH COBALlTITE WITH CHARGEORDERING

Electrical resistance of bismuth cobaltite in the range of temperature being 80 К < T < 800 K is measured. Temperature hysteresis of resistivity below Т< 950 K and activation energy decreasing at 0.5 eV is determined. Thermopower in the 100 К < T < 1000 K temperature is carried out. Metal - semiconductor crossover of temperature behavior of thermopower is found. Electrical properties explained in terms of charge ordering and electron-phonon interaction.

© Аплеснин С. С., Ситников М. Н., Удод Л. В., Галяс А. И., Nguyen Anh Tuan, 2011