Структура и магнитные свойства твёрдых растворов системы FeS-CrS Текст научной статьи по специальности «Физика»

Наноматериалы и нанотехнологии в аэрокосмической области

УДК 537.312.6

СТРУКТУРА И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ТВЁРДЫХ РАСТВОРОВ СИСТЕМЫ FeS-CrS

В. В. Соколович1, Д. А. Великанов2, М. С. Молокеев2

1 Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: [email protected] 2Институт физики имени Л. В. Киренского СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/38

Синтезированы твердые растворы системы FeS-CrS. Проведён рентгенофазовый анализ полученных образцов, определена кристаллическая структура. Измерена намагниченность образцов в области температур 300-1000 К. У всех исследуемых образцов обнаружена аномалия намагниченности в области 400-800 К.

Ключевые слова: твердые растворы, структура, намагниченность.

STRUCTURE AND MAGNETIC PROPERTIES OF SOLID SOLUTION SYSTEM FES-CRS V. V. Sokolovich1, D. A. Velikanov2, M. S. Molokeev2

1Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation E-mail: [email protected] 2Kirenskiy Institute of Physics Siberian Branch of the Russian Academy of Science 50/38, Academgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation

Solid solutions of the FeS-CrS are synthesized. The crystal structure of the samples is determined by the X-ray analysis. Magnetization of the samples is measured at temperatures of 300-1000 K. All samples reveal magnetization anomalies at temperatures 400-800 K.

Keywords: solid solution, structure, magnetization.

Сульфиды 3d-металлов MeS и Mei_xS проявляют многообразие физических свойств и в основном кристаллизуются в структуре типа NiAs. Соединения с составами близкими к MeS, и сульфиды с дефицитом катионов в области высоких температур имеют кристаллическую решетку, которая характеризуется гексагональной симметрией с пространственной группой P63/mmc. При низких температурах в данных соединениях обычны структуры с более низкой симметрией. В образцах с дефицитом катионов они возникают в результате упорядочения вакансий, а в MeS - в результате незначительных смещений катионов и анионов от положений, характерных для высокотемпературной фазы. Среди вышеуказанных сульфидов особое внимание уделялось и уделяется CrS, FeS и NiS, и вызвано это тем, что наблюдаемая структура, магнитные и электрические свойства обусловлены d-электронами. Так, в данных сульфидах наряду со структурными переходами наблюдаются переходы металл-диэлектрик (ПМД) и магнитные переходы. В настоящей работе мы ограничимся рассмотрением сульфидов хрома и железа.

В FeS при 420 К наблюдается структурный фазовый переход первого порядка (а-переход) и переход металл-диэлектрик. В CrS структурный переход и ПМД наблюдаются при 870 К. Оба моносульфида являются антиферромагнетиками. В FeS наряду с переходом из парамагнитного состояния в антиферро-

магнитное (Тм = 600 К) наблюдается также спин-ориентационный в области а-перехода. Сгё является коллинеарным антиферромагнетиком с вектором антиферромагнетизма, направленным вдоль гексагональной оси с. Вопрос о температуре перехода в парамагнитное состояние и о возможных спин-ориентационных переходах в Сгё в настоящее время остается открытым.

Рассматриваемые выше свойства сульфидов FeS и Сгё, в основном, определяются ^-электронами. При этом металлы, образующие данные сульфиды, имеют близкие электронные спектры, различающиеся лишь степенью заполнения ^-состояний. Поэтому особый интерес, соответственно, вызывают твердые растворы замещения, поскольку они позволяют последовательно изменять концентрацию электронов в ^-состоя-ниях. Также немаловажным является изучение возможности создания материалов с новыми электрическими и магнитными свойствами.

Исследования соединений системы FeS-CrS [1] показали, что образцы, получаемые обычно с помощью стандартных технологий, являются твердыми растворами лишь при высоких температурах, а при низких температурах - смесью простых сульфидов и металлов. Стабилизировать твердые растворы при низких температурах удалось с помощью высокоскоростной закалки. Существование твердых растворов замещения было доказано методами мёссбауэровской

Решетневские чтения. 2014

спектроскопии [2]. Результаты рентгенографических измерений образцов Рео,5Сго,^, Рео,7Сго,^ и Рео,14Сго,8^ подтвердили существование в этих образцах при низких температурах твердых растворов. Магнитные измерения вышеуказанных образцов, проведенные в области температур 3оо-1ооо К, позволили обнаружить на кривых намагниченности в области 5оо-боо К место резкого возрастания намагниченности, аналогичное изменению намагниченности, наблюдаемому в Ре8 при 42о К. При 75о К на кривых намагниченности для всех образцов наблюдался излом. При охлаждении наблюдались зависимости а(Т), характерные для медленно охлажденных образцов [1].

Целью настоящей работы являлось изучение влияния катионных вакансий (□) на структуру и магнитные свойства.

О 1"М|...............................................................................................................

5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

2Theta, Degrees

Рис. 1. Рентгеновские спектры образцов:

1 — Рео,5Сго,5^ 2 — По,о9Рео,41СГо,58; 3 — □ о,мрео,3бСго,5^ наблюдаемые при 3оо К (□ - катионная вакансия)

Для выполнения поставленной задачи были получены образцы Рео,5Сго,^, □о,о9Рео,41Сго,^, □о,14Рео,3бСго,^ по технологии, используемой в работе [2]. Рентгенографические измерения проводились при комнатной температуре. Наблюдаемые спектры представлены на рис. 1. Все три спектра соответствуют гексагональной суперструктуре №Лз-типа с симметрией Р-62с, наблюдаемой в чистом FeS при температурах, меньших 42о К. С ростом в образцах концентрации вакансий наблюдается уменьшение параметров решетки а и с.

Магнитные измерения образцов проводились в полях от о до о,5 Т в области температур 3оо-1ооо К. На рис. 2 представлены температурные зависимости намагниченности образцов Рео,5Сго,^, ^оо9 Рео,41Сго,^, □о,14Рео,3бСго,^ снятые при нагреве. С ростом в образцах содержания вакансий наблюдается уменьшение намагниченности.

7

300 400 500 600 700 800 900 1000

т, к

Рис. 2. Температурные зависимости намагниченности образцов:

1 - Feo,5Cro,5S; 2 — ^o,o9 Feo,o.41Cro,5S; 3 - □o,i4Feo,3óCro,5S, Н = o,5 Т

Стандартные технологии не позволяют создавать непрерывные твердые растворы MxFe1-xS (Mn, Cr, Ni, ...) в широкой области составов. Исключением является работа [3], авторам который удалось создать и пронаблюдать свойства у образцов CoxFe1-xS с x < o,25. Так, было обнаружено, что температуры а-перехода, структурных и магнитных переходов понижаются на сотни градусов при возрастании в образцах содержания кобальта. Приведенные нами результаты показывают, что возрастание в образцах относительного содержания хрома (вакансий) приводит к иному эффекту, а именно - к повышению температур фазовых переходов. Наблюдаемый эффект, возможно, вызван тем, что хром, в отличие от кобальта, имеет иную степень заполнения d-состояний. Однако прежде чем делать выводы об электронной причине наблюдаемых изменений, необходимо удостовериться, что в области 45o-6oo К не происходит фазовый распад.

Библиографические ссылки

1. Соколович В. В. Вестник СибГАУ. 2oo6. № 3(io). С. 38-41.

2. Соколович В. В., Баюков О. А. ФТТ. 2oo7. Т. 49, № io. С. 1831.

3. СоШп G., Gardette M. F., Comes R. J. Phys. Chem. Solids. 1987. Vol. 48, no. 9. P. 791-8o2.

References

1. Sokolovich V. V. VestnikSibGAU. 2oo6, № 3, p. 38.

2. Sokolovich V. V, Bayukov O. A. FTT. 1993. 35, p. 2o43-2o45.

3. ШИп G., Gardette M. F., Comes R. J. Phys. Chem. Solids, 1987, vol. 48, no. 9, p. 791-8o2.

© Соколович В. В., Великанов Д. А., Молокеев М. С., 2o14