Магнитоэлектрические свойства твердых растворов Ме Xmn 1-Xs (Ме = со, Gd) Текст научной статьи по специальности «Физика»

Решетнеескцие чтения. 2015

УДК 539.21:537.86

МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ MexMn1-xS (Ме = Со, Gd)

С. С. Аплеснин, M. Н. Ситников, О. Н. Бандурина

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

E-mail: kinery@mail.ru

Измерены диэлектрическая проницаемость в интервале частот от 1 до 100 кГц в магнитном поле до 8 кЭ и без поля, коэффициент теплового расширения в области температур 100-400 К. Обнаружено изменение диэлектрической проницаемости в магнитном поле и корреляция температур максимумов диэлектрической проницаемости и коэффициента теплового расширения.

Ключевые слова: магнитоемкость, диэлектрическая проницаемость, орбитальное упорядочение.

TRANSPORT PROPERTIES OF CsxMn1-xS (Ме = Со, Gd) SOLID SOLUTION

S. S. Aplesnin, M. N. Sitnikov, O. N. Bandurina

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation. E-mail: kinery@mail.ru

The paper deals with dielectric permeability for МехМп1-х8 (Ме = Со, Gd) in the range of 1 kHz - 100 kHz frequencies under magnetic field up to 0.8 T, thermal expansion coefficient in the temperature interval 100 К < T < 400 К. Variation of the dielectric permeability versus magnetic field and correlation between maximum of Dielectric permeability and thermal expansion coefficient on temperature are established.

Keywords: magnetocapacitance, dielectric permeability, orbital ordering.

Исследование мультиферроиков, в которых сосуществуют хотя бы два из трех параметров порядка: магнитный, электрический или кристаллографический [1], является актуальной задачей, так как описывает возможность с помощью электрического поля управлять магнитными свойствами материала и, наоборот, осуществлять модуляцию электрических свойств магнитным полем. В перспективе такие материалы могут найти широкое техническое применение в качестве сенсоров, датчиков, устройств записи-считывания информации. Если в спиновой электронике преобразование информации происходит через изменение намагниченности в электрическое напряжение, то в мультиферроиках связь между магнитной и электрической подсистемами проявляется через магнитоэлектрический эффект [2].

Емкость и тангенс угла диэлектрических потерь 0^5) измерены на анализаторе компонентов АМ-3028 в интервале температур 90-450 К без магнитного поля и в магнитном поле Н = 8,6 кЭ. Магнитное поле прикладывалось параллельно пластинам плоского конденсатора. На рис. 1 изображены температурные зависимости реальной Яе(£) и мнимой 1т(е) = 1§5 Яе(£) части диэлектрической проницаемости образца Gd0.04Mn0.96S . Нагрев образца вызывает резкий рост диэлектрических потерь, мнимая часть диэлектрической проницаемости возрастает в три раза, а вещественная часть увеличивается на 5 % при Т = 102 К. С ростом температуры диэлектрическая проницае-

мость плавно растет и резко падает при Т = 172 К с незначительным увеличением. Изменение диэлектрической проницаемости в магнитном поле с точностью до одного процента не наблюдалось.

Измерения коэффициента теплового расширения проведены на дилатометре Б1Ь-402С фирмы №Т28СН в температурном диапазоне 120-350 К в динамическом режиме со скоростью нагрева 5 К/мин. Для калибровки и учета теплового расширения измерительной системы использовались эталоны из плавленого кварца и корунда. Результаты исследований деформации (АЬ/Ь) и коэффициента теплового расширения (а(Т)) для двух образцов СоХМпьХ8 (х = 0,05, 0,15) представлены на рис. 2. На рисунке четко наблюдаются две аномалии в а(Т) при Т = 120 К и для температур ниже Т = 165 К с х = 0,05, Т = 180 К для х = 0,15 [3]. Температурная зависимость комплексной диэлектрической проницаемости для GdxMn1-xS подобна зависимости коэффициента теплового расширения СохМп1-х8 от температуры. В интервале температур 120-176 К решетка сжимается с возможным изменением симметрии от кубической к ромбоэдрической. Смягчение оптической частоты колебаний ионов индуцирует рост диэлектрической проницаемости.

С ростом концентрации ионов гадолиния максимум в диэлектрической проницаемости от температуры сдвигается в сторону высоких температур и наблюдается при Т = 140 К для х = 0,1, Т = 160 К, х = 0,2.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ № 15-42-04099 р_сибирь_а и Государственного задания № 114090470016.

Наноматериалы и нанотехнологии в аэрокосмической отрасли

57 56 55 54 53 52 51 50

35 30 25-

^ 20

со

I 15105

50 100 150 200 250 300 350 400

T,K

50 100 150 200 250 300 350 400

x=0,04; œ=100kHz

T,K

Рис. 1. Температурная зависимость реальной части диэлектрической проницаемости (а) и мнимой для О^Мщ.хБ с х = 0,04 на частоте 100 кГц

120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340

150 200 250 300 350

T,K

Рис. 2. Температурная зависимость коэффициента теплового расширения для Со0.05МП0.95В (а) и Со0.15МП0.85В

Постоянное магнитное поле увеличивает диэлектрическую проницаемость, и максимум величины маг-нитоемкости (е (Н ,Т) - е (Н = 0,Т))/ е (Н = 0,Т)) достигает (6-8) % при температурах Т = 200 К для х = 0,1, Т = 180 К, х = 0,2 в твердых растворах в^Мп1-х8.

Оптическая проводимость в диапазоне частот 1-100 кГц и связанное с ней сопротивление р (со) = = 4п/е0 [1ш(е(ю))ю] качественно отличаются от зависимости проводимости на постоянном токе.

В соединении Мп1-хСох8 при Т ~ 120 К на частоте / = 100 кГц наблюдается небольшой максимум диэлектрической проницаемости, который наиболее отчетливо проявляется при вычислении производной йе(Т)/йТ. Постоянное магнитное поле также меняет величину диэлектрической проницаемости в сторону ее уменьшения. Найдено два максимума в 5е = (е (Н = 0,Т) - е (Н,Т))/ е (Н,Т)) при Т ~ 125 К и Т2 ~ 225 К. Величина магнитоемкости (5е ) составляет 3 %, а мнимая часть е (Т) уменьшается в магнитном поле в десятки раз при Т ~ 110 К. Магнитоем-кость в постоянном электрическом поле Е = 5 В/см возрастает на порядок при Т ~ 225 К, а мнимая часть резко падает на два порядка при Т ~ 110 К.

Магнитоемкость может возникнуть в электрически неоднородных системах за счет эффекта Максвелла-Вагнера в отсутствие взаимодействия между магнитной и электрической подсистемами, при условии существования магнитосопротивления в материале [4]. Это демонстрирует, что наличия магнитоемкости не-

достаточно для отнесения этих соединении к мульти-ферроикам. С другой стороны, магнитоемкость без магнитоэлектрической связи может быть более практичной для технологических применений, так как не требуется существование дальнего магнитного порядка.

При высокой концентрации допирования может возникнуть орбитально неупорядоченное состояние. Величина магнитоэлектрического эффекта зависит от взаимодействия между орбитальным магнитным моментом и полярным искажением кристаллического поля. Электронное допирование t2g состояний приводит к их вырождению, которое снимается в результате сильных электронных корреляций или за счет эффекта Яна-Теллера, что приводит к взаимодействию орбитальных угловых моментов с локальной поляризацией решетки.

Библиографические ссылки

1. Wang J., Neaton J. B., Zheng H., Nagarajan V., Ogale S. B., Liu B. Epitaxial BiFeOs Multiferroic Thin Film Heterostructures // Science. 2003. Vol. 209, P. 1719-1728.

2. Звездин A. К., Пятаков А. П. Фазовые переходы и гигантский магнитоэлектрический эффект // УФН. 2004. Т. 174. С. 465-468.

3. Аплеснин C. C., Рябинкина Л. И., Романова О. Б., Бандурина О. Н., Горев М. В., Балаев А. Д., Еремин Е. В. Спин-стекольные эффекты в твердых рас-

Решетнееские чтения. 2015

творах Co1-xMnxS // Известия РАН. Сер. Физическая. 2009. Т. 73, № 7. С. 1021-1023.

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

References

1. Wang J., Neaton J. B., Zheng H., Nagarajan V., Ogale S. B., Liu B. Epitaxial BiFeOs Multiferroic Thin Film Heterostructures // Science. 2003. Vol. 209, p. 1719-1728.

2. Zvezdin A. K., Paytakov A. P. Phase transitions and gigantic magnetoelectric effect // UFN, 2004. Vol. 174. P. 465-468.

3. Aplesnin S. S., Raybinkina L. I., Romanova O. B., Balaev D. A., Demidenko O. F., Yanushkevich K. I., Bandurina O. N. Spin glass effects in solid solution Co1-xMnxS // Izvestiy RAN. 2009. Vol. 73. P 1021-1023

4. Aplesnin S. S., Sinnikov M. N. Magnetotransport effect in paramagnetic GdxMn1-xS. JETP Lettes, 2014. Vol. 100, P. 95-101,

© Аплеснин С. С., Ситников М. Н., Бандурина О. Н., 2015

УДК 66-4

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ УГЛЕРОДНЫМИ НАНОЧАСТИЦАМИ

А. А. Богданова, Ю. С. Кравченко

АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52 E-mail: aleksbogdanova@iss-reshetnev.ru

Рассмотрены основные преимущества применения композиционных материалов на основе алюминия, модифицированных углеродными наночастицами.

Ключевые слова: металлическая матрица, нанокомпозит, наночастицы, композит.

PERSPECTIVES OF APPLYING COMPOSITE MATERIALS BASED ON ALUMINA MODIFIED

WITH CARBON NANOPARTICLES

A. A. Bogdanova, Yu. S. Kravchenko

JSC "Information satellite systems" named after academician M. F. Reshetnev" 52, Lenin str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: aleksbogdanova@iss-reshetnev.ru

The research considers the main of use composite materials based on aluminum-modified by carbonic nanoparticles.

Keywords: metal matrix nanocomposite, nanoparticles, composite.

Одним из направлений развития современных материалов является поиск возможных путей создания новых материалов с использованием нанотехнологий для повышения физико-механических и эксплуатационных свойств материалов. Наибольший интерес представляет технология модифицирования композитов с матрицами на основе сплавов алюминия, упрочненных частицами малого размера (в том числе нано-размерными), а также использование в качестве матриц промышленных алюминиевых дисперсионно-твердеющих сплавов с повышенными эксплуатационными характеристиками [1; 2].

Металлическая матрица композита по сравнению с полимерной матрицей обладает следующими преимуществами: высокая упругость и прочность композита, сохраняющая эти свойства почти до своей температуры плавления. Кроме того, металлические композиты обладают более высокой работоспособностью

в вакууме и в условиях облучения, а также возможностью использовать резьбовые соединения. Недостатками металлической матрицы являются большой удельный вес и, в некоторых случаях, трудоемкость изготовления по сравнению с композитами на основе полимерной матрицы, но при внесения модификаторов в материал позволяет достичь снижения влияния данных недостатков на конечное изделие.

Введение модификаторов в расплав реализуется комбинацией метода порошковой металлургии с литьем, когда композит из наночастиц и металлического порошка вводится в расплав. Данный композит может быть получен как прессованием обработанных в шаровой мельнице порошков, так и с помощью прессования прутков. На рисунке приведен пример микроструктуры алюминия, модифицированного различными углеродными нанопорошками с помощью медных добавок [4].