Измерение термоэдс в твердых растворах ReXMn1-XS (Re = Gd, Yb) Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.21:537.86

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕРМОЭДС В ТВЕРДЫХ РАСТВОРАХ ReXMn1-XS (Re = Gd, Yb)

А. М. Харьков

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: [email protected]

Представлены результаты измерения термоэдс в твердых растворах ReXMn1-XS (Re = Gd, Yb) с ГЦК решеткой типа NaCl в области температур 80-1200 К. Общей закономерностью температурных зависимостей коэффициента термоэдс как для системы с гадолинием, так и для системы с иттербием является проявление отрицательного значения термоэдс во всем диапазоне температур с ростом Х.

Ключевые слова: сульфиды редкоземельных элементов, проводимость, переход металл-диэлектрик, термоэдс, электрическое сопротивление, коэффициент Зеебека.

MEASURING THERMOEDS IN SOLID SOLUTIONS ReXMn1-XS (Re = Gd, Yb)

A. M. Kharkov

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]

This paper presents the results of measurements of the thermoeds in solid solutions ReXMn1-XS (Re = Gd, Sm) with FCC NaCl type in the temperature range 80-1200 K. The general regularity of the temperature dependences of the thermoeds coefficient for both the gadolinium system and the system with ytterbium is the manifestation of a negative thermoeds over the entire temperature range with increasing X.

Keywords: sulfides of rare-earth elements, conductivity, transition metal-insulator, thermoelectric power, electrical resistivity, Zeebek coefficient.

Твердые растворы сульфидов GdxMnl_xS выращены в кварцевом реакторе из расплава с использованием метода, описание которого приведено в работе [1]. Исследование температурных зависимостей термоэдс сульфидов твердых растворов с содержанием редкоземельных элементов 0 < Х < 0,3 проведено в интервале температур 80-1200 К в магнитных полях до 10 кЭ.

Концентрационный переход металл-диэлектрик сопровождается уменьшением величины удельного электросопротивления на 12 порядков [2] и коэффициента термоэдс (а) на два порядка (рис. 1). Переход от примесной к собственной проводимости в образце Х = 0,01 сопровождается уменьшением коэффициента термоэдс. Кривая зависимости а = f(T) в интервале температур 670 К < Т < 900 К находится в отрицательной области значений коэффициента термоэдс (рис. 1).

Смена знака коэффициента термоэдс на отрицательный свидетельствует о смене типа носителей заряда от р- к п-типу в указанной области температур. Таким образом, катионное замещение в твердых растворах GdXMnl-XS (0,01 < Х < 0,3) приводит к смене дырочного типа проводимости (а > 0), свойственного моносульфиду марганца, на электронный (а < 0) [3].

Уменьшение величины а с увеличением содержания гадолиния в решетке М^ указывает на то, что Gd действует как донорная примесь. Увеличение количества электронов, связанное с ростом концентрации

внедренных в решетку катионов гадолиния, приводит к состоянию сильнолегированного полупроводника, и проводимость в таких веществах полностью определяется электронами [4].

Замещение марганца (Мп) иттербием (УЪ) качественно меняет температурную зависимость термоэдс (коэффициент Зеебека), по сравнению с М^. Для составов с х < 0,15 наблюдается изменение знака термоэдс с положительного на отрицательный при нагревании, при Т = 650 К для х = 0,05 и в интервале 150 К < Т < 200 К, Т > 950 К для х = 0,1, как видно на рис. 2. Для концентраций вблизи концентрации протекания ионов иттербия по решетке и выше х > 0,15 термоэдс на всем температурном интервале имеет отрицательный знак с двумя максимумами при Т = 225 К и Т = 1000 К для х = 0,15 и при Т = 245 К, 340 К и Т = 980 К для х = 0,2.

Таким образом, установлено изменение энергии активации при нагревании в температурном интервале 380 К < Т < 440 К для всех составов. Найдена смена знака термоэдс и изменение типа носителей тока как по температуре для х < 0.1, так и по концентрации с положительного на отрицательный. Обнаружены максимумы в термоэдс в интервале температур 220340 К и 950-1050 К. Высокотемпературный максимум связан с диффузией электронов и обусловлен совпадением энергий 41-уровня и уровня Ферми, а низкотемпературный с увлечением электронов фононами [5].

Решетневскуе чтения. 2017

Рис. 1. Температурные зависимости коэффициента термоэдс 0(1хМп1_х8 для составов с Х = 0,01 (а); Х = 0,1 (б)

Рис. 2. Температурная зависимость коэффициента термоэдс а для составов с X = 0,05(1), 0,1(2), 0,15(3), 0,2(4) твердых растворов YЪXMn1_XS

Библиографические ссылки

1. Магнитные и электрические свойства катион-замещенных сульфидов MexMn^xS (Me = Co, Gd) / С. С. Аплеснин [и др.] // ФТТ, 2009. T. 51. C. 661-664.

2. Magnetic properties and the metal-insulator transition in GdXMn1-XS solid solutions / O. B. Romanova [et al.] // Solid State Comm., 2010. T. 150. C. 602-604.

3. Аплеснин С. С., Ситников М. Н. Магнитотранс-портные эффекты в парамагнитном состоянии в GdXMn1-XS // ЖЭТФ, 2014. T. 100. C. 104-110.

4. Metal insulator transition and magnetic properties indisordered systems of solid solutions MeXMnbXS / G. A. Petrakovskii, G. V. Loseva, L. I. Ryabinkina, S. S. Aplesnin // JMMM, 1995. Т. 140. С. 147-148.

5. Исследование транспортных свойств катион-замещенных твердых растворов YbxMni-xS / С. С. Аплеснин, О. Б. Романова, А. М. Харьков, А. И. Галяс // ФТТ, 2015. Т. 57. С. 872-876.

References

1. Aplesnin S. S., Ryabinkina L. I., Romanova O. B., Sokolov V. V., Pichugin A. Yu., Galyas A. I., Demidenko O. F., Makovetskiy G. I., Yanushkevich K. I. [Magnetic and electric properties of the cation-substituted sulfides MeXMn1-XS (Me = Co, Gd)]. FTT, 2009, Vol. 51, Pp. 661-664. (In Russ.)

2. Magnetic properties and the metal-insulator transition in GdXMn1-XS solid solutions / O. B. Romanova [et al.]. Solid State Comm., 2010, vol. 150, p. 602-604.

3. Aplesnin S. S., Sitnikov M. N. [Magnetotransport effects in the ferromagnetic state in GdXMni-XS]. ZhETF,

2014. Vol. 100. Pp. 104-110. (In Russ.)

4. Metal insulator transition and magnetic properties indisordered systems of solid solutions MeXMni-XS / G. A. Petrakovskii, G. V. Loseva, L. I. Ryabinkina, S. S. Aplesnin. JMMM. 1995. Vol. 140. Pp. 147-148.

5. [Investigation of transport properties of cation-substituted solid solutions YbxMn1-xS] / S. S. Aplesnin, O. B. Romanova, A. M. Kharkov, A. I. Galyas. FTT,

2015. Vol. 57. Pp. 872-876. (In Russ.)

© Харьков А. М., 2017