Магнитные свойства халькогенидов марганца, замещенных ионами гадолиния Текст научной статьи по специальности «Физика»

Решетневскуе чтения. 2017

УДК 539.21:537.86

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ХАЛЬКОГЕНИДОВ МАРГАНЦА, ЗАМЕЩЕННЫХ

ИОНАМИ ГАДОЛИНИЯ

А. Н. Масюгин1, А. М. Живулько2, О. Н. Бандурина1, У. И. Рыбина1

1 Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 2ГНПО «НПЦ НАН Беларуси по материаловедению» Беларусь, 220072, г. Минск, ул. П. Бровки, 19 E-mail: albert.masyugin@mail.ru

Синтезированы и исследованы твердые растворы GdxMn1-xSe и GdxMn1-xS (0 < х < 0,2). Изученные материалы в перспективе могут использоваться как основа для создания микроэлектронных устройств, которые работают в широком диапазоне температур.

Ключевые слова: полупроводники, синтез, магнитная восприимчивость, орбитальное упорядочение.

MAGNETIC PROPERTIES OF THE HALKOGENIDES OF MANGANESE SUBSTITUTED

BY IONS OF GADOLINIUM

A. N. Masyugin1, A. M. Zhivul'ko2, O. N. Bandurina1, U. I. Rybina1

1Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

2SSPA "Scientific-Practical Materials Research Centre of NAS of Belarus" 19, P. Brovki Str., 220072 Minsk, Belarus E-mail: albert.masyugin@mail.ru

Solid solutions GdxMn1-xSe and GdxMn1-xS (0 < x < 0,2) are synthesized and investigated. The studied materials can be used as a basis to develop microelectronic devices that operate over a wide range of temperatures in the future.

Keywords: semiconductors, synthesis, magnetic susceptibility, orbital ordering.

Проведены исследования магнитных свойств твердых растворов в^Мп^е и в^Мп^ в области температур 80-900 К в магнитном поле 8,6 кЭ. Обнаружено монотонное уменьшение температуры Нееля от концентрации гадолиния. Установлены аномалии магнитной восприимчивости выше температуры Нееля. Экспериментальные данные объясняются в модели орбитального стекла. Использование твердых растворов на основе сульфидов и селенидов марганца для создания элементной базы микроэлектроники и спинтроники в перспективе может привести к повышению эксплуатационных характеристик изделий и расширению спектра их функционального назначения в аэрокосмической отрасли.

Магнитосопротивление в парамагнитной области может быть обусловлено существованием вырожденных орбитальных состояний электрона и сильных электронных корреляций [1].

Особенно вблизи полного заполнения орбитальное вырождение может индуцировать дальний орбитальный порядок, для которого вероятность найти электрон на одной из орбиталей зависит от типа решетки и орбитали. Температурные зависимости удельной намагниченности измерены пондеромоторным мето-

дом в интервале температур 77-900 К в магнитном поле 8,6 кЭ. Зависимость обратной величины магнитной восприимчивости твердых растворов в^Мп^^ на примере состава с х = 0,2 от температуры представлена на рис. 1.

Существование орбитального порядка подтверждается магнитными измерениями. Оно следует из температурной зависимости магнитной восприимчивости (рис. 1, а). В интервале температур 550 К< Т < 650 К магнитная восприимчивость подчиняется закону Кюри-Вейсса с парамагнитной температурой Кюри 0 = -108 К. Ниже 550 К наблюдается отклонение х(Т) от закона Кюри-Вейсса (величина Ах = хех показана на рис. 1, б).

Общая восприимчивость может быть представлена в виде суммы х = Х + Хо + Хо, где х - магнитная восприимчивость локализованных спинов; Хо - орбитальная; Хда - смешанная восприимчивости. Ниже температуры перехода в орбитально упорядоченное состояние спиновая и смешанная восприимчивости не подчиняются закону Кюри-Вейсса и зависят от параметра орбитального упорядочения Ы1_, температурная зависимость которого описывается степенной функцией.

Электронная компонентная база щ>смических,систем

5,5x10°

5,0x10-

4,5x10° -з

Е

4,0Х103 -

3,5x10°

3,0x10° -

300 400 500 600 700 T,K

300

400

Т

500

Рис. 1. Температурная зависимость обратной величины магнитной восприимчивости для О^Мпо^Б (1)

и восприимчивости Кюри-Вейсса (2), а также их разности Д% = %ех (Ь). На вставке - спиновая восприимчивость при Т < Тс, вычисленная по формуле (1) для параметров Js = -110 КМ, = ть(1 - Т/Тс)0,3 и Jm = 100 К (2), Jrn = -100 К (3), и соотношение типа Кюри-Вейсса х (6)= 1 /[Т - ЛХб)^ (1) [2]

Спиновая восприимчивость на волновом векторе структуры имеет следующий аналитический вид [2]:

^ (6)

T +

х, (Q ) =

4 (1 - M2L )

T 2 + T Г J (Q)-JS (Q)!--9-Г

4 L т\У) sQ J 4 jj (i - Ml )

(1)

где Jm -фурье-образ обменного интеграла между спиновым и орбитальным моментами; Js(Q) - обменный интеграл между спинами на волновом векторе 6 = П. Спиновая восприимчивость х увеличивается при обменном параметре Jм < 0 и спадает при Jm > 0 ниже температуры перехода в орбитально упорядоченное состояние (вставка к рис. 1, б).

Магнитная восприимчивость твердых растворов Мп^в^Бе обнаруживает отклонение от закона Кюри-Вейсса в области высоких температур. Следует отметить, что прогрев твердых растворов до температуры ~ 900 К приводит к необратимым изменениям величины намагниченности в режиме «нагрев-охлаждение» для составов с х = 0,1; 0,15 в пределах - асоо1)/ ¿оо! ^ 0,05, изображенных на рис. 2, а. Магнитная восприимчивость твердых растворов растет с увеличением содержания в них гадолиния. Так, для малых концентраций гадолиния в твердых растворах в температурном поведении намагниченности наблюдается излом в окрестности температуры Нееля. С ростом концентрации х величина магнитного момента увеличивается при низких температурах, что характерно для ферримагнетиков и антиферромагнетиков со «скошенной» магнитной ячейкой.

Температура Нееля в зависимости от концентрации хорошо описывается линейной зависимостью Тд{х)/Тд{Мп8е) = 1 - Хх с отношением обменов X = K/J2 = 0,45. Так в антиферромагнетиках с ГЦК решеткой и 2-м типом магнитного упорядочения температура Нееля имеет вид Тм = 2/35(5' + 1^2 J2, где J2 - обмен во 2-й координационной сфере, 22 = 6.

Итак, замещение ионов марганца ионами гадолиния приводит к понижению температуры Нееля и резкому уменьшению парамагнитной температуры Кюри от концентрации.

0.05 0.04

\ 0 03

р

С

f 0 02 0.01

0.00

ог

» ЛчИр^П

С ОЗДпдЦЬНС

200

400

т, к

600

аоо о

200 400 600 800 1000

т. к

Рис. 2. Относительное изменение намагниченности (oheat - acool)/ac°o1 в режиме «нагрев (1) - охлаждение(2)»

для Gd01Mn09Se (а) и намагниченность а при нагреве и охлаждении (б) для х = 0,1 от температуры

Для составов Mn1-xGdxSe с х = 0,1; 0,15 установлена зависимость магнитной восприимчивости от предыстории образца. При температурах, в несколько раз превышающих температуру Нееля найдено отклонение от закона Кюри-Вейсса. Экспериментальные данные объясняются в модели орбитального стекла.

Библиографические ссылки

1. Аплеснин С. С., Ситников М. Н. Магнитотранс-портные эффекты в парамагнитном состоянии в GdxMn1-xS // Письма в ЖЭТФ. 2014. T. 100, вып. 2. С. 104-110.

2. Нагаев Э. Л. Магнетики со сложными обменными взаимодействиями. М. : Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит, 1988. 232 с.

References

1. Aplesnin S. S., Sitnikov M. N. [Magnitotransport-nye effekty v paramagnitnom sostoyanii v GdxMni-xS]. JETP Letters. 2014. T. 100, Vol. 2. P. 104-110.

2. Nagaev E. L. [Magnetiki so slozhnymi obmennymi vzaimodeystviyamiyu]. M. : Nauka Publ., 1988. 232 p.

© Масюгин А. Н., Живулько А. М., Бандурина О. Н., Рыбина У. И., 2017

600

T, K

a