CC BY
11Наноматериалы и нанотехнологии в аэрокосмической области
УДК 539.21:537.86
СМЕНА ЗНАКА МАГНИТОСОПРОТИВЛЕНИЯ В ТВЕРДЫХ РАСТВОРАХ YbxMn1-xS
С. С. Аплеснин, А. М. Харьков, В. В. Кретинин
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Россия, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31. E-mail: [email protected]
Проведено исследование электрических свойств твердых растворов YbxMn1-xS в интервале температур 80 К < Т < 450 К для составов х = 0,05; 0,1; 0,15; 0,2 без поля и в магнитном поле 0.8 Тл. Обнаружен магнито-резистивный эффект и для x > 0,05 магнитосопротивление меняет знак с отрицательного на положительный при нагревании.
Ключевые слова: магнитосопротивление, полупроводники, энергия активации.
THE CHANGE OF YbxMn1-xS SOLID SOLUTION MAGNETORESISTANCE SIGN
S. S. Aplesnin, A. M. Kharkov, V. V. Kretinin
Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russia. E-mail: [email protected]
A study of electrical properties of solid solutions YbxMn1-xS in the temperature range 80 К < T < 450 К for compositions x = 0,05; 0,1; 0,15; 0,2 without a field and in magnetic field 0,8 T is carried out. Magnetoresistive effect is found. For x > 0,05 magnetoresistance changes from negative to positive at the heating.
Keywords: magnetoresistance, semiconductors, activation energy.
Материалы, обнаруживающие связь между электрическими и магнитными свойствами, являются привлекательными для возможного использования в качестве элементной базы в микроэлектронике, в спин-тронике, в сенсорных устройствах [1]. Соединения с переменной валентностью проявляют ряд фазовых переходов металл-диэлектрик, магнитные фазовые переходы, включая изменения магнитных свойств без изменения магнитной симметрии [2]. К числу таких соединений относятся YbS, обнаруживающие аномальные магнитные и кинетические свойства [3]. Присутствие относительно близко лежащих по энергии 41 и 5d-орбиталей и обусловливает ряд специфических свойств соединений этих элементов. Сульфид иттербия при нормальном давлении - полупроводник с прямой щелью в спектре электронных возбуждений ~1,3 эВ и непрямой щелью ~1,0 эВ между полностью занятым 4: состоянием и свободными sd-зонными состояниями, которые расположены по энергии на 4 эВ выше по сравнению с 3р валентной зоной ионов серы [4]. Под действием давления щель монотонно уменьшается: dEg / dp = -6 ± 1 и при р = 8 ГПа зоны перекрываются, и возникает металлическое состояние. При Р = 10 ГПа наблюдается квантовый резо-
,-13 < <-14
нанс, т. е. суперпозиция 1 d и 1 состояний и изменение валентности 2.4, т. е. плотность носителей тока на один ион иттербия составляет 0,4 / Yb. По ИК-спектрам установлено усиление эффективной массы электронов на порядок, что связано с сильными 1- электронными корреляциями.
Сульфиды иттербия и марганца имеют кристаллическую решетку №С1 с постоянной решеткой а = 5,693 А (YbS) и а = 5,222 А (М^). При достижении критической величины давления Р = 8 ГПа решетка YbS сжимается на 12 %. Можно ожидать, что
при замещении катионов марганца ионами иттербия давление, оказываемое ближайшим окружением, приведет к смене валентности ионов иттербия и к образованию волны зарядовой плотности или к орбитально-зарядовому состоянию.
Изучение кристаллической структуры полученных образцов проведено при комнатной температуре в монохроматическом СиАГа-излучении на рентгеновской установке ДРОН-3. Согласно данным рентгено-структурного анализа образцы YbxMn1-xS (0,04 < х < 0,25) имеют гранецентрированную кубическую (ГЦК) решетку типа №С1, характерную для а-М^. С увеличением степени катионного замещения х параметр элементарной ячейки растет. В области концентраций 0 < х < 0,25 проведены измерения электрического сопротивления двух- и четырехконтактным методом в интервале температур 140 К < Т < 450 К без магнитного поля и в магнитном поле Н = 0,8 Тл. Они имеют типичный полупроводниковый тип и качественно не отличаются от температурной зависимости р (Т) для М^ для составов с х < 0,1. При нагревании твердого раствора Yb0.05Mn0.95S энергия активации увеличивается в 1,7 раза при Т = 440 К. С ростом концентрации изменение величины энергии активации уменьшается, и температура сдвигается в область низких температур до Т = 390 К для х = 0,1.
Магнитное поле приводит к уменьшению энергии активации и пересечению зависимостей р (Т) при Т = 224 К. Магнитосопротивление меняет знак в окрестности этой температуры. В области низких температур 5 = (р (Н) - р (0)) / р (0) достигает 100 % и при нагревании по модулю уменьшается, меняет знак с отрицательного на положительный, принимает максимальное значение при Т = 270 К и стремится к нулю при Т = 450 К. Качественное поведение сопротивления
Решетневскуе чтения. 2013
100
200
300
400
109-j
108-j
10N
Е
6
О 106
105-j
104
1 a Ч Yb0.2Mn08S , V
4.1
1 :
400
Т-
100
200
300
T, K
400
109
108
10'
106
105
104
а
а
i 0,0
Q-
-0,5
500 2,0
1,5 1,0 0,5 0,0
-0,5
500
Рис. 1. Зависимость сопротивления от температуры для Yb0.2Mn0.8S в полях Н = 0 (1), 0,8 Тл (2)
от температуры также выполняется и для составов с более высокими концентрациями (рис. 1). Магнито-сопротивление в твердом растворе Yb0.2Mn0.sS, представленное на рис. 2, меняет знак с положительного на отрицательный при Т = 163 К, проходит через локальный максимум при Т = 169 К и достигает величины 160 % при Т = 350 К и при асимптотическом продолжении 5 = (р (Н) - р (0)) / р (0) ^ 0 исчезает при Т = 435 К.
Экспериментальные данные по магниторезистив-ному эффекту объясняются в модели орбитально-зарядового упорядочения. У Yb3+ имеется один электрон в 5d оболочке. В области высоких температур в кубическом поле существует трехкратное вырождение электрона в ^ состояниях. При понижении температуры при некоторой критической температуре происходит снятие орбитально-вырожденных состояний под действием электрон-фононного взаимодействия. Существуют пространственно разделенные области с разной величиной проекций орбитального магнитного момента, которые хаотически распределены по объему образца. При включении внешнего магнитного поля происходит упорядочение областей с орбитальным магнитным моментом, направленным по полю. Эти области можно представить в виде плоскостей с повышенной электронной плотностью. С точки зрения электронной структуры происходит изменение в плотности электронных состояний в зоне проводимости, которая под действием электрон-фононного взаимодействия расщепляется на две подзоны, и в магнитном поле происходит изменение спектральной интенсивности электронных возбуждений от трехмерного к квазидвумерному типу. Включение внешнего магнитного поля приведет к увеличению эффективной массы носителей тока и к росту сопротивления. В работе были проведены теоретические расчеты в двухзонной модели Хаббарда с учетом сильных электронных корреляций формирования орбитального упорядочения и расчеты проводимости в магнитном поле. Таким образом, показано, что в окрестности температуры образования орбитального упорядочения электросопротивление увеличивается
Рис. 2. Относительное изменение удельного электросопротивления от температуры для образца YbxMn1.xS с x = 0,2
в магнитном поле и при понижении температуры наблюдается смена знака магнитосопротивления с положительного на отрицательный в результате образования областей со слабым ферромагнитным моментом в области низких температур.
Итак, в твердых растворах YbxMn1-xS для x > 0,05 магнитосопротивление меняет знак с отрицательного на положительный при нагревании и исчезает в окрестности температуры 450 К. Зависимость сопротивления от температуры имеет активационный вид и качественно отличается от температурного поведения сопротивления на переменном токе.
Библиографические ссылки
1. Ehrenstein W., Mazur N., Scott J. // Природа. 2006. № 442. 759 с.
2. Голубков А. В., Гончарова Е. В., Жузе В. П., Логинов Г. M., Сергеева В. М. Физические свойства халь-когенидов редкоземельных элементов. Л. : Наука. Ле-нингр. отд-ние, 1973.
3. Аплеснин С. С., Харьков А. М., Еремин Е. В., Романова О. Б., Балаев Д. А., Соколов В. В., Пичугин А. Ю. // IEEE Transactions on magnetics 47. 4413. 2011.
4. Аплеснин С. С., Харьков А. М. Магнитные и динамические свойства твердых растворов SmxMn1-xS // Физика твердого тела. 2013. Т. 55 (1). С. 69-74.
References
1. Ehrenstein W., Mazur N., Scott J. // Priroda. 2006. № 442. 759 s.
2. Golubkov A. V., Goncharova E. V., Zhuze V. P., Loginov G. M., Sergeeva V. M./ Fizicheskie svojstva hal'kogenidov redkozemel'nyh jelementov/ L. : Nauka, 1973.
3. Aplesnin S. S., Har'kov A. M., Eremin E. V., Romanova O. B., Balaev D. A., Sokolov V. V., Pichugin A. Ju. // IEEE Transactions on magnetics 47. 4413. 2011.
4. Aplesnin S. S., Har'kov A. M. Magnitnye i dina-micheskie svojstva tverdyh rastvorov SmxMn1-xS // Fi-zika tverdogo tela. 2013. T. 55 (1), p. 69-74.
© Аплеснин С. С., Харьков А. М., Кретинин В. В., 2013
