CC BY
40
Стеклокомпозиты на основе магнитного полупроводника Ьа0678г033МпО3 как функциональные материалы
Ю.В. Кабиров1, В.Г. Гавриляченко1, А. С. Богатин1, Т.И. Чупахина2, Е.Б. Русакова3, Е.В. Чебанова3
1 Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону 2Институт химии твердого тела УрО РАН, Екатеринбург 3Ростовский государственный строительный университет
Аннотация: Синтезированы композиты Ьа0,678г0,33Мп03 (БЮ2, 8Ь203) с различными массовыми соотношениями. Исследованы их магниторезистивные и диэлектрические свойства. В диапазоне частот от 10 до 106 Гц для концентрации БЮ2 10% выявлено существование колоссальных величин диэлектрической проницаемости ( ~ 4104). Значения отрицательной изотропной магниторезистивности для образцов с оксидом кремния при комнатных температурах составляют 6-8%, с барьерами из оксида сурьмы достигают 12%, что позволяет считать возможным применение таких материалов в спинтронике.
Ключевые слова: Магниторезистивность, колоссальная диэлектрическая проницаемость, стеклокомпозиты, рентгеновская дифракция, спиновая поляризация, барьерные слои, туннелирование, микроструктура, диэлектрический спектр, эффект Максвелла-Вагнера.
Введение
Магнитный полупроводник ЬБМО отмечен в [1 - 9] как перспективный материал для средств записи информации, обладающий колоссальной магниторезистивностью (СМЯ) и гигантским магнитоимпедансом (ОМ1). Одной из задач технологии магниторезистивных материалов является повышение их чувствительности в слабых полях [1]. Для этого можно использовать манганит Ьа0678г033Мп03, обладающий металлической проводимостью и почти полной спиновой поляризацией, разделяя его туннельными диэлектрическими слоями. Так, в основу конструирования магниторезистивных композитов с высокой полевой чувствительностью в матрице боратно-натриевых стекол в работах [з - 5] была положена барьерная идея: области ЬБМО разделены тонкими изолирующими прослойками. При воздействии внешнего магнитного поля вследствие туннелирования электронов между изолирующими слоями,
возникает отрицательный резистивный эффект. Как отмечено в [4], оптимальная концентрация стекла в керамических композитах около 25 %. Достигнутые значения CMR (точнее TMR, туннельной магниторезистивности) в стеклокомпозитах при комнатной температуре невелики и составляют единицы процентов. При этом в работах [3 - 5] использована технология непосредственного синтеза LSMO в матрице при высокотемпературной обработке с последующим закаливанием или помещения в стеклянную матрицу готового манганита лантана стронция. Приготовленные образцы имели максимальный диаметр порядка нескольких миллиметров [3 - 5].
Целью нашей работы было изучение возможности повышения значений CMR при комнатной температуре в стеклокерамических образцах за счет создания искусственных диэлектрических границ между кристаллитами. Также представляют интерес и диэлектрические свойства подобных композитов. В технологическом плане стеклокомпозиты имеют несомненное преимущество по сравнению с монокристаллами и эпитаксиальными пленками LSMO.
Методика эксперимента
Для синтеза композитов в стехиометрическую смесь La2O3, SrCO3, Mn2O3 состава La067Sr0 33MnO3 добавлялась окись кремния SiO2 (или Sb2O3) 7 - 13% по массе. После измельчения и гомогенизации прессованные таблетки диаметром 10 мм и толщиной 2 - 3 мм выдерживались при 1100°С в течении 3 - 5 часов с последующим медленным охлаждением.
Для характеризации образцов использовались: рентгендифракционный метод (CuKa - излучение), комплекс Novocontrol ALPHA для исследования диэлектрических свойств в диапазоне частот 10 4 - 106 Гц, микроскоп Zeiss Supra 25 для исследования микроструктуры образцов. Серебрянные электроды на развитые поверхности образцов наносились методом катодного
распыления. Измерение сопротивления образцов проводилось по двухэлектродной схеме методом вольтметра-амперметра на постоянном токе в магнитном поле 0 - 20 кОв при комнатной температуре.
Результаты исследований и их обсуждение
Рентгенноструктурное исследование стеклокерамических образцов Ьа0б78г0 33МпО3 (БЮ2, БЬ2О3) показало наличие в них перовскитовой фазы ЬБМО, с пространственной группой Я - 3с (№1б7) и параметрами ячейки а = 5,4855 А, с = 13,3495 А. При этом на рентгенограммах не наблюдались дифракционные отражения оксидов кремния или сурьмы, а отражения ЬБМО оказались уширенными. На снимках микроструктуры поверхности образцов ЬБМО (БЮ2) видны частицы размером от 1 до 4 мкм (рис.1).
. - )
< X /
МлЧ - 77.111 К X 1|пл \МО-Б.2|тп ЬН1 - И1ЛНЗ кУ А - Ы йМ 1)л<и Я Мау 2013 "Птв :1в;1б:16
ЯА 26-31-11 I ----I МпЬш НкйисПип - I ¡пи
Рис. 1. - Морфология поверхности стеклокомпозита 10% БЮ2 (90% ЬБМО)
Магниторезистивность МЯ рассчитывалась по формуле:
МЯ = Я(0) "5Н) .100%% ,
где Я(0) - сопротивление образца без поля, Я(Н) - сопротивление образца в магнитном поле. Полевая чувствительность образца d(МЯ)/dН составляет
0,3 %/кОе. На рис.2 приведена зависимость МЯ от напряженности
магнитного поля в интервале 0-20 кОе. Отметим изотропность магниторезистивного эффекта в наших образцах, а также высокие значения МЯ по сравнению с литературными данными.
-1-1-1-1-1-1
-20 -10 о 10 20
Н, кое
Рис. 2. - Зависимость магниторезистивности образца 10% БЮ2 (90% ЬБМО)
от напряженности магнитного поля
В силу особенности конструкции стеклокомпозитов Ьа0678г033МпО3 (БЮ2), а именно - существования проводящих и изолирующих областей в композите, то есть искусственного разделения фаз, для наших образцов можно было ожидать существования в них значительных величин диэлектрической проницаемости [7]. Это предположение подтверждается диэлектрическими исследованиями.
На рис. 3 приведен диэлектрический спектр образца 10% БЮ2 (90% ЬБМО). В диэлектрическом спектре образцов (рис.3) можно отметить ряд особенностей. В высокочастотной части спектра выше 105 Гц диэлектрическая проницаемость е1 спадает, что характерно для размытой дисперсии дебаевского типа, в интервале 10 - 105 е1 практически не зависит от частоты и достигает значения 4-104, при этом фактор потерь велик. При частоте ниже 4 Гц характер импеданса образца меняется с емкостного на индуктивный, что характерно для неупорядоченных систем с высокой проводимостью [10, 11].
10" 1СГ3 102 101 10° 10' 102 103 104 105 10е ю7
Г(Гц)
Рис. 3. - Диэлектрический спектр образца 10% БЮ2 (90% ЬБМО)
Таким образом, приготовленные стеклокерамические образцы Ьа0,678г0 33МпО3 (БЮ2) проявляют эффект МЯ (~6%) в слабых полях, обладая при этом колоссальной диэлектрической проницаемостью в практически значимом диапазоне частот 10 - 105 Гц. Отметим, что для композитов с использованием в качестве барьерного материала окиси сурьмы нами получены результаты МЯ порядка 12 % [12].
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 14-03-00103А.
Литература
1. Нагаев Э.Л. Манганиты лантана и другие магнитные проводники с гигантским магнитосопротивлением // УФН. 1996. Т. 166. № 8. C. 833-858.
2. Криворучко В.Н. Кроссовер поляронной проводимости и неоднородное состояние манганитов лантана в области магнитного фазового перехода // ФТТ. 2001. Т. 43. В. 4. С. 678-682.
3. Кушнир С.Е., Васильев А.В., Зайцев Д.Д., Казин П.Е., Третьяков Ю.Д. Синтез магнеторезистивных стеклокерамических композитов в системе SrO-MnOx-SiO2-La2O3// Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2008. № 1. C. 38-41.
4. Gupta S., Ranjit R., Mitra C., Raychaudhuri P., Pinto R. Enhanced room-temperature magnetoresistance in La07Sr03MnO3-glass composites // Appl. Phys. Lett. 2001. V. 78. №3. Р. 362-364.
5. Marysko M., Pollert E., Kaman O., Veverka P., Jirak Z. Manganese Perovskite and the Duwnturn of Inverse Susceptibility above the Curie Temperature // Acta Physica Polonica A. 2010. V. 118. №5. P. 792-793.
6. Hu J., Qin H., Chen J., Wang Z. High Frequency Behavior of La0.7Sr0.3MnO3 with Giant Magnetoimpedance Effect // Materials Transactions. 2002. V. 43. №3. Р. 523-526.
7. Кабиров Ю.В., Чупахина Т.И., Гавриляченко В.Г., Гавриляченко Т.В., Ситало Е.И., Чебанова Е.В. Несегнетоэлектрическая керамика La2-xSrxNiO4 с колоссальной диэлектрической проницаемостью. // Инженерный вестник Дона», 2014, № 1 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n1y2014/2219/.
8. Фиговский О. Новейшие нанотехнологии // Инженерный вестник Дона, 2012, №1 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n1y2012/725/.
9. Gupta K, Jana P.C., Meikap A.K. High Magnetoresistance of the Composite of Poly aniline Nanotubes with La067Sr0 33MnO3. Determination of
Stiffness Constant and Range of Interaction of this composite // International Journal of Soft Computing and Engineering (IJSCE). 2012. V. 1. I. 6. Р. 10-14.
10. Гавриляченко В.Г., Кабиров Ю.В., Панченко Е.М., Ситало Е.И, Гавриляченко Т.В., Милов Е.В., Лянгузов Н.В. Особенности диэлектрического спектра CaCu3Ti4O12 в низкочастотном диапазоне // ФТТ. 2013. V. 55. В. 8. Р. 1540-1543.
11. Болтаев А.П., Пудонин Ф.А. Эффективная диэлектрическая проницаемость системы металлических наноостровов в сильных электрических полях // Краткие сообщения по физике ФИАН. 2011. №7. С. 313.
12. Кабиров Ю.В., Гавриляченко В.Г., Богатин А.С., Чупахина Т.И., Гавриляченко Т.В. Магниторезистивность стеклокомпозитов La07Sr03MnO3 /Sb2O3 при комнатной температуре // ФТТ. 2015. Т. 57. В. 1. С. 16-18.
References
1. Nagaev E.L. UFN. 1996. T. 166. № 8. рр. 833-858.
2. Krivoruchko V.N. FTT. 2001. T. 43. V. 4. рр. 678-682.
3. Kushnir S.E., Vasil'ev A.V., Zaytsev D.D., Kazin P.E., Tret'yakov Yu.D. Poverkhnost'. Rentgenovskie, sinkhrotronnye i neytronnye issledovaniya. 2008. № 1. рр. 38-41.
4. Gupta S., Ranjit R., Mitra C., Raychaudhuri P., Pinto R. Appl. Phys. Lett. 2001. V. 78. №3. рр. 362-364.
5. Marysko M., Pollert E., Kaman O., Veverka P., Jirak Z. Acta Physica Polonica A. 2010. V. 118. №5. рр. 792-793.
6. Hu J., Qin H., Chen J., Wang Z. Materials Transactions. 2002. V. 43. №3. рр. 523-526.
7. Kabirov Yu.V., Chupakhina T.I., Gavrilyachenko V.G., Gavrilyachenko T.V., Sitalo E.I., Chebanova E.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2014, № 1 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n1y2014/2219/.
8. Figovskiy O. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, №1 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n1y2012/725/.
9. Gupta K, Jana P.C., Meikap A.K. International Journal of Soft Computing and Engineering (IJSCE). 2012. V. 1. I. 6. рр. 10-14.
10. Gavrilyachenko V.G., Kabirov Yu.V., Panchenko E.M., Sitalo E.I, Gavrilyachenko T.V., Milov E.V., Lyanguzov N.V. FTT. 2013. V. 55. V. 8. рр. 1540-1543.
11. Boltaev A.P., Pudonin F.A. Kratkie soobshcheniya po fizike FIAN. 2011. №7. рр. 3-13.
12. Kabirov Yu.V., Gavrilyachenko V.G., Bogatin A.S., Chupakhina T.I., Gavrilyachenko T.V. FTT. 2015. T. 57. V. 1. рр. 16-18.
