CC BY
22
УДК 539.21:537.86
МАГНИТОСОПРОТИВЛЕНИЕ СУЛЬФИДА МАРГАНЦА С ДОПИРОВАНИЕМ ИОНАМИ ГАДОЛИНИЯ
В. В. Мироненко Научный руководитель - 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: mironenko.vlad2011@yandex.ru
Описаны новые материалы на основе твердых растворов GdxMn1-xS, которые в перспективе могут использоваться в аэрокосмической отрасли в качестве сенсоров и устройств записи информации. Проведены были измерения удельного сопротивления без магнитного поля и в магнитном поле 8 кЭ в интервале температур 100-500 К. Для состава GdxMn1-xS с концентрацией x = 0.2 обнаружен магниторезистивный эффект.
Ключевые слова: магнитосопротивление, вольт-амперные характеристики.
MAGNETORESISTANCE MANGANESE SULFIDE WITH DOPING BY IONS OF GADOLINIUM
V. V. Mironenko Scientific Supervisor -A. M. Kharkov
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: mironenko.vlad2011@yandex.ru
The paper describes new materials based on solid solutions GdxMn1-xS, which in the long term can be used in the aerospace industry as sensors and information recording devices. The specific resistance measurements were carried out without a magnetic field and in the magnetic field 8 kOe in the temperature range 100-500 K. For the composition GdxMn1-xS with concentration x = 0.2 the magneto-resistive effect was found.
Keywords: magnetoresistance, volt-ampere characteristics.
Введение. В качестве перспективных материалов для элементной базы микроэлектроники и спинтроники могут быть использованы сульфиды марганца, замещенных редкоземельными элементами из группы лантаноидов, таких как например гадолиний (Gd). В результате это приведет к повышению эксплуатационных характеристик изделий и расширению спектра их функционального назначения в аэрокосмической отрасли.
Материалы на основе GdxMn1-xS (x = 0,2), в перспективе могут использоваться в качестве сенсоров, датчиков, устройств записи-считывания информации [1].
Принцип работы спинтронных устройств основан на эффекте магнитосопротивления. Халькогениды переходных металлов и их твердые растворы оказались хорошими модельными объектами для изучения этого эффекта. Исследования моносульфида марганца и синтезированных на его основе твердых растворов с катионым замещением 3d-элементами (Fe, Cr, Co и т. д.) и 4^элементами (Gd, Yb, Sm и т. д.) обнаружили эффект магнитосопротивления и переход металл-диэлектрик при изменении концентрации замещения, магнитного поля и температуры [2].
На основе спин-зависимого электронного транспорта создаются устройства в спинтронике. Магнитное поле действует на магнитное состояние многослойной наноструктуры и управляет током в результате магниторезистивного эффекта. Особое внимание исследователей уделяется
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2018. Том 1
манганитам [3] в связи с возможностью образования в них разного типа неоднородных зарядовых и спиновых состояний, таких, как решеточные и магнитные поляроны, капельные и страйпо-вые структуры и т. д.
В сульфиде марганца (Мп8) орбитальное вырождение может возникнуть при электронном допировании в результате замещения двухвалентного иона марганца трехвалентными редкоземельными 4/-элементами, например ионами гадолиния в металлическом соединении Оё8 с кристаллической и магнитной структурами, аналогичными Мп8. Из-за сильных электронных корреляций в Мп8 существует щель с энергией 2.5 эВ [4].
В сульфидах марганца ОёхМп1-х8 найдена смена знака магнитосопротивления с положительного на отрицательный и его максимум в области перехода в магнитоупорядоченное состояние для двух составов вблизи концентрации протекания хс = 0,6. Замещение катионов марганца ионами редкоземельных элементов приводит к электронному допированию и образованию дополнительных обменных ферромагнитных взаимодействий между ионами марганца, в результате кинетического ъ-й взаимодействия. Ожидаются изменения магнитной структуры и усиления ферромагнитных свойств, изменение типа проводимости, носителей тока и обнаружение магни-торезистивного эффекта.
т, К т, к
Рис. 1. (а) - Удельное электросопротивление Gd0.2Mп0.88 без магнитного поля (1) и в поле Н = 8 кЭ (2); (Ь) - Температурные зависимости сопротивления (р(Н) - р(0)) / р(0) в магнитном поле: (1) - эксперимент, (2) - теоретические расчеты функции (1) с параметрами Тс = 500 К,
Тс,мп = 420 К, Т^ = 320 К.
Синтез твердых растворов GdxMn1-xS и их рентгеноструктурный анализ подробно описаны в работе. Путем магнитных и калориметрических измерений установлено уменьшение температуры магнитного фазового перехода от Т = 150 К до Т(х = 0,2) = 120 К и определена критическая концентрация, при которой исчезает дальний магнитный порядок и образуется спиновое стекло (хс = 0.23). Измерение сопротивления было проведено четырехзондовым методом в магнитном поле Н = 8 кЭ, направленном перпендикулярно направлению тока, для составова с х = 0.2 в области температур 100 К < Т < 550 К [5].
Если в интервале температур 100 К < Т < 500 К концентрация ионов гадолиния превышает концентрацию протекания хс = 0.16, в твердом растворе GdxMn1-xS сопротивление меняется в пределах одного порядка и имеет минимум при Т = 325 К (рис. 1). В магнитном поле сопротивление также возрастает, а минимум в его температурной зависимости смещается в сторону высоких температур до Т = 380 К. Магнитосопротивление, приведенное на рис. 1, Ь, меняет знак с ростом температуры с положительного на отрицательный при Т = 320 К и исчезает при Т = 475 К. Аномалия в температурной зависимости магнитосопротивления наблюдается вблизи концентрации протекания при Т ~ 210 К.
Ниже 250 К решетка начинает сжиматься и сопротивление увеличивается. Возможно, это связано со структурными искажениями кристаллической решетки. Максимум магнитосопротив-ления наблюдается в области перехода в магнитоупорядоченное состояние и асимптотически исчезает при понижении температуры. Одна из возможных причин этого максимума связана с фазовым расслоением и образованием ферронов в антиферромагнитной матрице, что объясняет
рост магнитной восприимчивости при понижении температуры. Магнитосопротивление обнаруживается также и на вольт-амперных характеристиках, измеренных при комнатной температуре без поля и в магнитном поле Н = 8 кЭ (рис. 2). С ростом тока магнитосопротивление проходит через максимум и при токе в 1 мА и электрическом напряжении около 1 В резко уменьшается.
0,5 1,0 1,5 2,0 U, V
0,0
0,5
1,0 1,5 U, V
2,0
Рис. 2. (а) - зависимость тока от напряжения в магнитных полях Н = 8 кЭ (1) и Н = 0 (2).
(Ь) - Экспериментальная зависимость электросопротивления в магнитном поле Н = 8 кЭ от электрического напряжения при комнатной температуре для х = 0.2 (1) и теоретические расчеты (2)
Теоретически вычисленная полевая зависимость магнитосопротивления, приведенная на рис. 2, качественно согласуется с экспериментальной.
Заключение. В настоящей работе в твердых растворах ОёхМп1-х8 для состава с х = 0.2 найдено магнитосопротивление при температурах, в несколько раз превышающих температуру перехода в магнитоупорядоченное состояние. Также обнаружен полупроводниковый тип проводимости с небольшим минимумом в области высоких температур. Рост сопротивления и увеличение энергии активации в магнитном поле обусловлены увеличением в нем корреляций орбитальных магнитных моментов. Взаимодействие орбитально упорядоченных электронов с модами колебаний октаэдров приводит к электрической поляризации и к зависимости магнитосопротивле-ния от внешнего электрического поля. Из вольт-амперной характеристики найден максимум магнитосопротивления как по току, так и по напряжению. В сульфидах марганца вёхМп1-х8 найдена смена знака магнитосопротивления с положительного на отрицательный и его максимум в области перехода в магнитоупорядоченное состояние для двух составов вблизи концентрации протекания хс = 0,16.
Библиографические ссылки
1. Аплеснин C. C. Основы спинтроники. СПб. : Лань, 2010. 283 с.
2. The interrelation of magnetic and dielectric properties of CoxMn1-xS solid solutions / S. S. Ap-lesnin, O. N. Bandurina, O. B. Romanova et al. // J. Phys.: Condens. Matter. 2010. Vol. 22. P. 226006.
3. Волков H. B. Спинтроника: магнитные туннельные структуры на основе манганитов // УФН. 2012. Vol. 182. P. 263.
4. Аплеснин С. С., Ситников М. Н. Магнитотранспортные эффекты в парамагнитном состоянии в GdxMn1-xS // ЖЭТФ. 2014. T. 100. C. 104-110.
5. Magnetic Properties and the Metal-insulator transition in GdxMni-xS solid solutions / О. B. Romanova, L. I. Ryabinkina, V. V. Sokolov et al. // Sol. State Comm. 2010. Vol. 150. P. 602.
© Мироненко В. В., 2018
