CC BY
49
УДК 538.9
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ФАКТОРА НА АНОМАЛЬНОЕ ПОЛОЖИТЕЛЬНОЕ МАГНИТОСОПРОТИВЛЕНИЕ НАНОГРАНУЛИРОВАННЫХ КОМПОЗИТОВ Сох(АІ20п)юо-х
С.Ф. Авдеев, О.В. Стогней, А.В. Ситников
Исследовано влияние температуры на аномальное положительное магнитосопротивление в наногранулиро-ванных композитах Сох(А12Оп)100-х. Установлено, что величина положительного магнитосопротивления композитов зависит от температуры: уменьшается при нагреве до 415 К и полностью исчезает при охлаждении до температур ниже температуры бифуркации. При увеличении размеров наногранул в результате отжигов при 520 и 620 К положительное магнитосопротивление также возрастает. Полученные результаты подтверждают положение о том, что для возникновения положительного магнитосопротивления необходимо выполнение определенных соотношений между тепловой энергией, энергией анизотропии наногранул и энергией диполь-дипольного взаимодействия между ферромагнитными наночастицами
Ключевые слова: нанокомпозит, туннельное магнитосопротивление, положительное магнитосопротивление, термический отжиг
Введение
Одним из наиболее характерных свойств на-ногранулированных композитов металл-диэлектрик является туннельный электроперенос [1]. В том случае, когда металлическая фаза композита сформирована из ферромагнитного материала туннельный механизм приводит к появлению отрицательного туннельного магнитосопротивления [2]. В ряде случаев в таких нанокомпозитах помимо отрицательного магнитосопротивления наблюдается положительное магнитосопротивление [3-5], которое является аномальным, поскольку туннельный механизм не предполагает немонотонной зависимости сопротивления нанокомпозитов от магнитного поля. Ранее [4,6,7] высказывалось предположение что, основной причиной появления аномального положительного магнитосопротивления является одновременное присутствие в структуре композитов как отдельных, изолированных в диэлектрике гранул, так и сравнительно крупных кластеров со значительно различающимися величинами магнитной анизотропии и наличием диполь-дипольного взаимодействия между кластерами и ближайшими к ним гранулами. Более детальное рассмотрение [6] позволило сделать вывод, о том, что не только морфология нанокомпозита ответственна за положительный эффект, но и соотношение между величинами тепловой энергии (kT), энергии анизотропии наногранул и кластеров, а также энергии диполь-дипольного взаимодействия между ними. Целью настоящей работы являлось исследование влияния температурного фактора на положительное магнитосопротивление в нанограну-лированных композитах Cox(Al2On)10o-x для проверки данного предположения.
Авдеев Сергей Федорович - ОАО «Концерн «Созвездие», инженер, тел. 8-920-4040871
Стогней Олег Владимирович - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, тел. (4732) 46-66-47, e-mail: [email protected] Ситников Александр Викторович - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, доцент, тел. (4732) 46-66-47, e-mail: [email protected])
Образцы и методика эксперимента
Гранулированные нанокомпозиты
Сох(А12Оп) 100-х были получены методом ионнолучевого распыления составной мишени, представлявшей собой литую кобальтовую основу с размещенными на ее поверхности поликоровыми навесками, в атмосфере аргона. Расстояние между навесками было различным и это давало возможность получать в одном процессе напыления нанокомпозиты в широком интервале соотношений металл/диэлектрик. Полученные образцы представляли собой тонкие пленки (4-6 мкм) на ситалловых подложках. Состав полученных композитов исследовался с помощью рентгеновского электронно-зондового микроанализа. Структура полученных композитов исследовалась с помощью просвечивающей электронной микроскопии, для чего производились напыления на монокристаллы №С1. Магниторезистивные свойства композитов исследовались потенциометрическим методом в поле электромагнита. Величина магнитосопротивления композитов рассчитывалась в соответствии с выражением (Я(И)-Я0)/Я0, где Я(И) - сопротивление образца в магнитном поле напряженностью Н, Я0 - сопротивление образца в нулевом магнитном поле. Измерения при 77 К проводились в проточном криостате, помещенном между полюсами электромагнита. Отжиги композитов проводились в вакуумной камере для предотвращения окисления образцов.
Результаты и их обсуждение
Отрицательное магнитосопротивление (МС) в нанокомпозитах Сох(А12Оп)100-х наблюдается практически во всем исследованном концентрационном интервале (36 < х, ат. % < 68). На рис. 1 показаны полевые зависимости отрицательного магнитосо-противления для композитов различного состава. Абсолютные значения магнитосопротивления,
рассчитанные в поле 10 кЭ, высоки (6-6.5 %), что характерно для композитов этой системы. Высокие значения отрицательного магнитосопротив-ления сохраняются вплоть до концентрации 54 ат. % Со, что несколько ниже электрического порога перколяции, определяемого по концентрационной зависимости удельного электросопротивления (рис. 2).
Н, кЭ
Рис.1. Полевые зависимости отрицательного маг-нитосопротивления нанокомпозитов Сох(Л12Оп)100-х, наблюдаемые в доперколяционной области, цифры указывают содержание металлической фазы
Со, ат.%
Рис.2. Концентрационные зависимости удельного электросопротивления (а) и отрицательного магниторезистивного эффекта (б) композитов Сох(Л12Оп)100-х. Стрелка показывает положение электрического порога перколяции
При превышении концентрации кобальта 54 ат. % помимо отрицательного магнитосопро-тивления в композитах начинает проявляться положительное магнитосопротивление (ПМС), характеризующееся увеличением электросопротивления образцов при увеличении магнитного поля и проявляющееся при относительно небольших напряженностях поля (рис. 3). Положительное магнитосопротивление наблюдается на фоне отрицательного магнитосопротивления, причем наличие ПМС в композитах сразу приводит к уменьшению значений МС. Положительное магни-тосопротивление наблюдается в концентрационной области 55 - 67 ат.% с максимальным значением - 1,45 % (рис.4). Как следует из сопоставления данных, приведенных на рис. 2 и 4 ПМС наблюдается в области порога перколяции, где морфоло-
гически должны присутствовать как отдельные гранулы, так и уже сформировавшиеся кластеры.
Н, кЭ
Рис.3. Полевая зависимость магнитосопротивления нанокомпозита Со57(Л12Оп)43, обладающего положительной составляющей
40 50 60 70
Со, ат.%
Рис.4. Концентрационная зависимость положительного магнитосопротивления композитов Сох(Л12Оп)100-х
Исследование композитов проявляющих ПМС, проведенное с помощью высокоразрешающей электронной микроскопии, в полной мере подтверждает данное предположение (рис. 5). На фотографии отчетливо видны отдельные гранулы и кластеры в виде цепочек, сформированных из контактирующих друг с другом гранул.
Рис. 5. Морфология нанокомпозита Со61(Л12Оп)39, полученная с помощью просвечивающей электронной микроскопии
Ранее предполагалось, что для реализации эффекта ПМС в нанокомпозитах необходимо выполнение трех условий [6]. Первое - наличие морфологии аналогичной изображенной на рис. 5. Второе - необходимо чтобы высота потенциального барьера (Еан), обусловленного анизотропией наногранулы и разделяющего два эквивалентных состояния (локальных минимума) в которых магнитный
момент наногранулы ориентирован вдоль оси легкого намагничивания гранулы, была соизмерима с кТ:
(1/2 кТ < Еан < кТ).
(1)
Третье - необходимо чтобы в результате диполь-дипольного взаимодействия гранулы и кластера высота барьера для одного из локальных минимумов превышала величину кТ:
(кТ < Еан + Едип).
(2)
Фактически условие (1) означает, что изменение температуры (изменение кТ) как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения должно влиять на величину ПМС, а именно - уменьшать её, поскольку и в том и в другом случае сужается интервал значений Еан, необходимых для возникновения ПМС и, следовательно, меньшее число гранул будет задействовано в формировании положительного эффекта. С другой стороны, изменение энергии диполь-дипольного взаимодействия также должно влиять на величину ПМС, поскольку при этом смещается неравенство (2).
Для того, чтобы проверить справедливость условия (1) были проведены измерения магниторезистивного эффекта в нанокомпозитах Сох(Л12Оп)100-х при 415 К и 77 К. На рис. 6 приведена полевая зависимость магнитосопротивления нанокомпозита Со58(Л12Оп)42 измеренная при температурах 293 К и 415 К. Очевидно, что величина ПМС уменьшилась более чем в два раза по сравнению с величиной эффекта, измеренного при комнатной температуре. Таким образом, сужение интервала допустимых значений Еан действительно влечет за собой уменьшение ПМС.
О
Н, кЭ
Рис. 6. Полевые зависимости магнитосопротивле-ния гранулированного нанокомпозита Со58(Л12Оп)42 измеренные при температурах 293 К и 415 К
Исследования, проведенные при 77 К, показали, что положительное магнитосопротивление в нанокомпозитах при этой температуре полностью отсутствует. На рис. 7 приведены примеры полевой зависимости магнитосопротивления и намагниченности, измеренные в образце Со63(Л12Оп)37. Наблюдаемый гистерезис МС не имеет ничего общего с положительным эффектом и отражает лишь появле-
ние магнитного гистерезиса вследствие того, что композит оказался ниже температуры бифуркации и в нем происходит термическая блокировка магнитных моментов гранул. Условие термической блокировки моментов гранул означает, что выражение (1) не выполняется, поскольку для 77 К кТ < Еан.
-4 -2 0 2 4
Н, кЭ
Рис. 7. Полевые зависимости магнитосопротивле-ния (а) и намагниченности (б) нанокомпозита Со63(Л12Оп)37 при 77 К, стрелками указано в какой последовательности проводилось измерение
Для проверки справедливости условия (2) необходимо провести исследование композитов в которых обеспечено изменение Еан или Едип при постоянном кТ. Известно, что отжиги композитов при 200 - 400 С не разрушают наногранулированную структуру, но приводят к некоторому увеличению размера наногранул [8,9]. Очевидно, что при этом с одной стороны увеличивается значение энергии анизотропии наногранул, пропорциональной объему, а с другой - возрастает энергия диполь-дипольного взаимодействия, поскольку происходит не только увеличение значения магнитного момента гранул, но и уменьшение расстояния между ними.
В связи с этим для увеличения энергии ди-поль-дипольного взаимодействия были проведены изотермические отжиги композитов при 520 К и 620 К и исследовано магнитосопротивление после этих отжигов. Как следует из результатов, приведенных на рис. 8 в отожженных композитах наблюдается увеличение значений ПМС (рис. 7 б). Более того, в композите Со53(Л12Оп)47 в исходном состоянии ПМС отсутствует, однако после изотермического отжига он проявляется (рис. 7 а).
Рис. 8. Полевая зависимость магнитосопротивления нанокомпозита Со53(Л12Оп)47 (а) и Со56(Л12Оп)44 (б) в исходном состоянии и после отжигов при 520 К и 620 К
Н, кЭ
Н, кЭ
Данные результаты подтверждают, что для появления эффекта положительного магнитосопро-тивления необходимо выполнение определенного соотношения между тепловой энергией и энергиями, создающими потенциальный барьер, препятствующий процессам переориентации магнитных моментов наногранул, находящихся вблизи кластеров. Действительно, ПМС наблюдается в композите Со53(Л12Оп)47 только после того, как он был подвержен отжигу при 620 К (рис. 7 а). Иными словами только после того, как в нем сформировались гранулы и кластеры такого размера, что начинает выполняться неравенство (2). В композите Со56(Л12Оп)44 при увеличении температуры отжига наблюдается рост ПМС поскольку при отжигах увеличиваются размеры гранул и кластеров и, следовательно, большее число их начинает удовлетворять условию (2). Однако если мы просто увеличиваем температуру измерения то ПМС снижается (рис. 6), поскольку в этом случае возрастает кТ без изменения других характерных энергий и условиям (1) и (2) будут в состоянии удовлетворять меньшее число гранул.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 09-02-90460 Укр_ф_а).
Исследования с помощью ИЯТЕМ проведены в наноцентре БелГУ (г. Белгород).
ОАО «Концерн «Созвездие», г. Воронеж Воронежский государственный технический университет
Литература
1. Abeles B. Structural and Electrical Properties of Granular Metal Films / B. Abeles, Ping Sheng, M.D. Coutts, Y. Arie. // Advances in Physics. - 1975. V. 24. - P. 407-461.
2. Fujimori H. Tunnel-type GMR in metal-nonmetal granular alloy thin films / H. Fujimori, S. Mitani, S. Ohnuma. // Mater.Sci. & Eng. - 1995. V. B31. - P.219-223.
3. Варфоломеев А.Е., Седова М.В. Эффект большого положительного магнитосопротивления в слабых магнитных полях в металл - диэлектрических нанокомпозитах // ФТТ - 2003. - т.45. №.3. - С. 500 - 504.
4. Sankar S., Berkowitz A.E., Smith D.J. Spin-dependent transport of Co-SiO2 granular films approaching percolation // Phys.Rev.B. - 2000. - V.62, №.21. - P. 14273 - 14278.
5. Аронзон Б.А., Варфоломеев А.Е., Ковалев Д.Ю., Ликаль-тер А.А., Рыльков В.В., Седова М.А. Проводимость, магнитосо-противление и эффект Холла в гранулированных пленках Fe / SiO2 // ФТТ - 1999. - Т.41, №.6. - С. 944-952.
6. О.В.Стогней, А.В.Ситников, Ю.Е.Калинин, С.Ф.Авдеев, М.Н.Копытин Изотропное положительное магнитосопротивление наногранулированных композиционных материалах Co-Al2On // ФТТ. - 2007. - Т.49, №. 1. - C. 158-164
7. А.А. Тимофеев, С.М. Рябченко, А.Ф. Лозенко, П.А. Тро-ценко, О.В. Стогней, А.В. Ситников, С.Ф. Авдеев Исследования магнитных свойств гранулярной системы Co0,6(Al2On)0,4, обладающей эффектом изотропного положительного магнитосопро-тивления // Физика Низких Температур - 2007. -Т.33.- №11. -С. 1282 - 1297
8. Microstructure change in Co46Al19O35 granular thin films by annealing / M.Ohnuma, K.Hono, H.Onodera et al. // NanoStructured Materials.-1999.- V.12.-P.573-576.
9. Jae-Geun Ha, S.Mitani, K.Takanashi, M.Ohnuma, K.Hono, H.Fujimori Annealing effect of tunneler type GMR in Co-Al-O granular thin films // JMMM.-1999.-V.198-199.-P.21-23.
EFFECT OF TEMPERATURE FACTOR ON THE ANOMALOUS POSITIVE
MAGNETORESISTANCE OF Cox(Al2On)100-x NANOGRANULAR COMPOSITES
S.F. Avdeev, O.V. Stognej, A.V. Sitnikov
The effect of temperature on the anomalous positive magnetoresistance in nanogranular composites Cox(Al2On)100-x has been investigated. It has been established that the positive magnetoresistance of the composites depends on the temperature: it decreases when the composites are heated to 415 K and disappears completely when the composites are cooled to temperatures below the bifurcation temperature. When size of the granules increasing as a result of annealing at 520 and 620 K the positive magnetoresistance also increases. The obtained results confirm the point that certain relationships between the thermal energy, anisotropy energy of the nanogranules and the energy of dipole-dipole interaction between the ferromagnetic nanoparticles has to be fulfilled to the positive magnetoresistance is appeared.
Key words: nanocomposite, tunneling magnetoresistance, a positive magnetoresistance, thermal annealing
