Влияние катионного замещения на магнитные свойства в системе твердых растворов Mn 1-xgd xSe Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 54-165.2

ВЛИЯНИЕ КАТИОННОГО ЗАМЕЩЕНИЯ НА МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА В СИСТЕМЕ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ Mn1-XGdXSe

А. И. Галяс, О. Ф. Демиденко, А. М. Панасевич, К. И. Янушкевич

ГНПО «Научно-практический центр НАН Беларуси по материаловедению» Беларусь, 220072, г. Минск, ул. П. Бровки, 19. E-mail: alyona_panasevich@mail.ru

На основе моноселенида марганца синтезирован ряд твердых растворов Mn1-xGdxSe (0 < х < 0,7). Рентгено-фазовый анализ показал, что все полученные сплавы обладают ГЦК решеткой типа NaCl пространственной группы Fm3m. Твердые растворы, как и крайние соединения MnSe и GdSe, обладают антиферромагнитным упорядочением магнитных моментов ионов марганца. Магнитная восприимчивость для всех твердых растворов измерена в температурном интервале 77-900 К. Температура Нееля монотонно уменьшается от TN ~ 140 К для MnSe до TN ~ 90 К у Mn03Gd07Se.

Ключевые слова: моноселенид марганца, намагниченность, температура Неля.

EFFECT OF CATION SUBSTITUTION ON THE MAGNETIC PROPERTIES OF THE SYSTEM Mn^GdXSe SOLID SOLUTIONS

A. I. Galyas, O. F. Demidenko, A. M. Panasevich, K. I. Yanushkevich

Scientific-Practical Materials Research Centre NAS of Belarus 19, P. Brovki str., Minsk, 220072, Belarus. E-mail: alyona_panasevich@mail.ru

On the basis of manganese monoselenide the series of Mn1-xGdxSe (0 < x < 0,7) solid solutions are synthesized. X-ray analysis shows that all received alloys have FCC NaCl-type unit cell of Fm3m space group. Solid solutions, as well as limit compounds MnSe and GdSe, have an antiferromagnetic ordering of the manganese ions of magnetic moments. The magnetic susceptibility for all solid solutions is measured in the 77-900 K temperature range. The Neel temperature monotonically decreases from TN ~ 140 Kfor MnSe to TN ~ 90 Kfor Mn03Gd0.7Se.

Keywords: monoselenide manganese, magnetization, Neel temperature.

1. Введение. Создание магнитных полупроводников, способных работать в широком диапазоне температур, представляет интерес, как с фундаментальной, так и прикладной точки зрения. В связи с этим актуальной является задача синтеза твердых растворов при катионном замещении в системе Мп1-Хв^8е, исследования кристаллической структуры, электрических и магнитных свойств в зависимости от состава, температуры и магнитного поля. Моноселенид марганца является полупроводником />-типа, имеет структуру ГЦК решетки с кубической элементарной ячейкой и антиферромагнитным упорядочением [1]. Соединение GdSe обнаруживает металлический тип проводимости с низкой температурой Нееля. При замещении марганца гадолинием ожидается проявление фазового перехода металл-диэлектрик и изменение магнитной структуры. Так как трехвалентный ион Gd приводит к допированию электронами и образованию дополнительных обменных взаимодействий между ионами марганца, в результате s-d взаимодействия может возникнуть ферромагнитный обмен.

Целью данной работы является синтез твердых растворов в квазибинарном разрезе М^е - GdSe и изучение особенностей магнитных свойств твердых растворов в зависимости от состава и температуры.

2. Синтез и метод исследования твердых растворов Mn1-xGdxSe. Образцы Mn1-xGdxSe (0 < х < 0,7) получены методом реакции в твердой фазе из порошков крайних соединений в вакуумированных кварцевых ампулах в однозонной печи сопротивления. Температура контролировалась платина-платинородиевой термопарой. Точность определения температуры составляла ДТ ± 5 К. Рабочая зона печи (Т = const) имела длину L = 0,15 м.

Необходимые количества порошков крайних соединений тщательно перемешивались и загружались в кварцевые ампулы с последующим вакуумированием до 10-2 Па. Во избежание взрыва ампул использован ступенчатый режим синтеза. Максимально температура поднималась до 1370 К, и после 2 часов выдержки следовала закалка продуктов синтеза в холодной воде. Продукты первичного синтеза подвергались тщательному измельчению в порошки. Из полученных порошков под давлением изготавливались образцы требуемых размеров и формы. Составы подвергались гомогенизирующему отжигу при температуре 1120 К. Далее температура поднималась до 1370 К и после двухчасовой выдержки следовала закалка. На завершающем этапе получены однородные слитки темно-серого цвета. Синтезированы образцы соединений MnSe, GdSe и твердых растворов на их основе

Наноматериалы и нанотехнологии в аэрокосмической области

Мп1_х0^8е (0 < х < 0.7). Температурные зависимости удельной намагниченности изучены пондеромотор-ным методом в интервале температур 77-900 К в магнитном поле 0,86 Тл [2-3].

3. Результаты эксперимента. Результаты изучения температурных зависимостей удельной намагниченности твердых растворов Мп1-хв^8е на примере составов х = 0,05 и х = 0,7 представлены на рис. 1 и 2.

Следует отметить, что прогрев твердых растворов до температуры ~ 900К не приводит к необратимым изменениям величины намагниченности, поскольку ход зависимостей при измерениях в режиме «нагрев-охлаждение» идентичен. Магнитная восприимчивость твердых растворов растет с увеличением содержания в них гадолиния [4]. Так, для малых концентраций гадолиния в твердых растворах в температурном поведении намагниченности наблюдается излом в окрестности температуры Нееля. С увеличением концентрации х величина магнитного момента увеличивает-

ся при низких температурах, что характерно для ферромагнетиков и антиферромагнетиков со «скошенной» магнитной ячейкой. Температуру Нееля твердых растворов Мп1-хв^е определяли, используя минимумы температурных зависимостей производных удельной намагниченности (см. вставки рис. 1).

Изменение температуры Нееля в зависимости от концентрации представлено на рис. 2. Температура Нееля уменьшается от Тм ~ 140 К для Мп8е до Тм ~ 90 К у Mn0.3Gd0.7Se.

В результате выполненных исследований установлено, что замещение марганца гадолинием в твердых растворах Mn1-xGdxSe приводит к увеличению среднего магнитного момента; выявлено уменьшение температуры фазового превращения «магнитный порядок -магнитный беспорядок» с увеличением концентрации х гадолиния, что объяснимо нарушением обменных взаимодействий при катионном замещении, в соответствии с эмпирической зависимостью Слэтера.

(Температура)

б

Рис. 1. Намагниченность а и производная намагниченности по температуре dа/dT твердых растворов: а - Мп0.9^0.0^е; б - Мпо.^о.^е

Рис. 2. Зависимости температуры Нееля от концентрации гадолиния в системе Мщ.^^е (0 < х < 0,7)

а

Библиографические ссылки

1. Аплеснин С. С. и др. Взаимосвязь магнитных и электрических свойств халькогенидов MnSe1-xTex // Известия РАН. Серия Физическая. 2010. Т. 74, № 5. С. 741-743.

2. Чечерников В. И. Магнитные измерения. М. : Изд-во Моск. гос. ун-та, 1969. 387 с.

3. Янушкевич К. И. Методика выполнения измерений намагниченности и магнитной восприимчивости. Минск. 2009. С. 19.

4. Aplesnin S., Panasevich A., Galyas A., Demiden-ko O., Makovetskii G., Yanushkevich K. I. Magnetic properties of Mn1-xGdxSe solid solutions // Physics of Magnetism, Poznan, 2014. P. 122.

References

1. Aplesnin S. S. [The relationship of the magnetic and electrical properties of chalcogenide MnSei-xTex]. Izvestiya RAN. Seriya Fizicheskaya. 2010, vol. 74, no. 5, p. 741.

2. Chechernikov V. I. [Magnetic measurements]. Iz-datel'stvo MGU. Moskva. 1969, p. 387.

3. Yanushkevich K. I. [Methods of measurement of the magnetization and magnetic susceptibility]. Minsk. 2009, p. 19.

4. Aplesnin S., Panasevich A., Galyas A., Demidenko O., Makovetskii G., Yanushkevich K. I. Magnetic properties of Mn1-xGdxSe solid solutions. Phys. of Magnetism, Poznan. 2014, p. 122.

© Галяс А. И., Демиденко О. Ф., Панасевич А. М., Янушкевич К. И., 2014

УДК 539.216; 539.22; 543.62

РЕНТГЕНОДИФРАКЦИОННЫЙ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫЙ АНАЛИЗ НАНОКОМПОЗИТОВ

П. С. Дубинин, А. Н. Залога, О. Е. Пиксина, И. С. Якимов

Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660025, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 95

E-mail: i-s-yakimov@yandex.ru

Представлен обзор современных подходов, оборудования, программного обеспечения и примеры применений рентгеновских дифракционных методов для диагностики фазового состава и структуры многофазных нано-материалов и нанокомпозитов, включая собственные авторские разработки.

Ключевые слова: рентгеновские дифракционные методы, нанокристаллы, нанокомпозиты, структурный анализ, метод Ритвельда, КРФА, SAXS, WAXS.

XRD STRUCTURAL-PHASE ANALYSIS OF NANOCOMPOSITE MATERIALS

P. S. Dubinin, N. A. Zaloga, O. E. Piksina, I. S. Yakimov

Siberian Federal University 95, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660025, Russian Federation E-male: i-s-yakimov@yandex.ru

An overview of current approaches, equipment, software and examples of applications of X-ray diffraction methods for the phase composition and structure of multiphase nanomaterials and nanocomposites diagnosis is demonstrated, including authors' own developments.

Keywords: X-ray powder diffraction, nanocrystals, nanocomposites, structural analysis, Rietveld method, QPA, SAXS, WAXS.

Рентгеновские дифракционные методы, наряду с электронной микроскопией высокого разрешения и группой спектроскопических методов, являются одними из основных для диагностики фазового состава и структуры наноматериалов [1]. Вместе с тем сложность и специфические свойства нанокристалличе-ских объектов сильно затрудняют моделирование дифракционной картины относительно традиционных методов порошковой дифракции. Поэтому обнаруживается определенное отставание в развитии методов

рентгенофазового и рентгеноструктурного анализа для нанокристаллических систем, хотя в настоящее время они достаточно активно разрабатываются. В работе представлен обзор ряда современных подходов, оборудования и программного обеспечения для рентгенофазовой идентификации, количественного фазового (КРФА) и полнопрофильного анализа Ритвельда, малоуглового (SAXS) и широкоуглового (WAXS) рассеяния и др. для диагностики фазового состава и структуры многофазных наноматериалов и