CC BY
7УДК 53.092
DOI: 10.21779/2542-0321-2018-33-4-51-58
Л.А. Сайпулаева1, А.Г. Алибеков1, С.Ф. Маренкин4'5, Н.В. Мельникова2, В.С. Захвалинский3, М.М. Гаджиалиев1, З.Ш. Пирмагомедов1, Т.Н. Эфендиева1
Явления переноса в композите на основе дираковского полуметалла диарсенида
трикадмия при высоких давлениях
1 Институт физики им. Х.И. Амирханова ДНЦ РАН; Россия, 367003, г. Махачкала, ул. М. Ярагского, 94; maggadji@rambler.ru;
2 Уральский федеральный университет; Институт естественных наук; Россия, 620000, г. Екатеринбург, пр. Ленина, 51;
3 Белгородский национальный исследовательский университет; Россия, 308015, г. Белгород, ул. Победы, 85;
4 Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН; Россия, 119991, г. Москва, Ленинский пр., 31;
5 Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»; Россия, 101000, г. Москва, Ленинский пр., 6
Исследованы электрические и магнетополевые свойства композита на основе дираковского полуметалла, диарсенида трикадмия при высоком гидростатическом давлении. Изучены барические и температурные зависимости удельного электросопротивления, а также эффекта Холла и магнетосопротивления в поперечном магнитном поле. На барических зависимостях удельного электросопротивления и коэффициента Холла обнаружены фазовые переходы. Полевые зависимости магнетосопротивления свидетельствуют о появлении отрицательного магнетосопротивления, индуцированного давлением.
Ключевые слова: высокое давление, эффект Холла, удельное электросопротивление, отрицательное магнетосопротивление, электротранспорт.
Введение
Цель настоящего исследования - изучение явления переноса в Cd3As2 + MnAs (MnAs-20 mass%) (эффекта Холла и магнетосопротивления) при высоких гидростатических давлениях до 9 GPa и магнитных полях до 5 kOe в диапазоне комнатных температур.
В ряде работ, посвященных узкозонному полупроводнику диарсениду трикадмия [1, 2], было показано, что это соединение может рассматриваться как дираковский полуметалл. Дираковские полуметаллы на основе диарсенида трикадмия представляют собой перспективные наноматериалы для устройств спинтроники [3-5]. Зонная структура диарсенида трикадмия изучается достаточно давно, наряду с нулевым энергетическим зазором между зонами валентной и проводимости, предполагается также их инверсия [6, 7]. Проведение комплексных исследований явлений переноса материалов Cd3As2 + MnAs [8-9], представляющих собой композит, состоящий из гранул ферромагнитного арсенида марганца, помещенных в полупроводниковую матрицу диарсени-
да трикадмия, в широкой области давлений и индукций магнитного поля позволит получить новую информацию о структуре зон арсенида кадмия и его твердых растворов с марганцем.
Образцы, методика и техника эксперимента.
В дираковском полуметалле на основе трикадмия диарсенида (Сё3Лв2 + МпЛб (МпЛб-20 ша88%)) (табл. 1) исследованы эффект Холла, электро- и магнетосопротив-ление при высоком гидростатическом давлении до 9 ГПа в области комнатных температур. Измерения проводились в аппаратах высокого давления типа «Тороид», образцы имели форму параллелепипеда размером 3x1x1 мм. Для измерения коэффициента Холла и магнетосопротивления аппарат «Тороид» помещался в соленоид с напряженностью магнитного поля 400 кА/м. Более подробно методика описана в работе [10].
Таблица 1
Соединение п, сш-3 ц, сш2/У с (300 К) р, Псш
Сё3ЛБ2 + мплб (мплб-20 шаБ8%) 19 1.710 4935 -5 7.710
На рис. 1 представлены результаты порошковой рентгеновской диффрактометрии образца Сё3Л82+МпЛв (МпЛб-20 шаБ8%) (штриховые диаграммы приведены для различных полиморфных модификаций арсенида кадмия). При расшифровке рентгенограмм было установлено, что образцы являлись двухфазными композитами и содержали фазы диарсенида трикадмия и арсенида марганца. На некоторых рентгенограммах наблюдались слабые пики, относящиеся к диарсениду кадмия.
25 30 2о, 1 ралусы
Рис. 1. Рентгенограмма образца С^Л82 + МпЛ8 (МпЛ8-20 ша88%)
На рис. 2 представлены изображения поверхности исследуемого образца. Здесь хорошо видно, что большая часть объема имеет сложный характер (вставка), содержит субмикронные включения, по составу близкие к диарсениду трикадмия.
Рис. 2. СЭМ-изображение поверхности образца CdзAs2 + МиЛ8 (МпЛ8-20 ша88%)
Исследование эффекта Холла Ях проводилось методом постоянного тока I и постоянного магнитного поля Н. Постоянное магнитное поле напряженностью 4 кОе генерировалось катушкой. Уменьшение вклада посторонних поперечных ЭДС в измеряемую ЭДС Холла ¥х осуществлялось усреднением результатов измерений общего поперечного напряжения для двух направлений тока 1х и двух направлений поля И2:
у = +ув+-ув++^-в—ув-
X 4 5
^ =
н 1-Н
Напряжение на исследуемый образец подавалось с прецизионного источника постоянного тока КекЫеу 6430, холловское напряжение снималось посредством мульти-метра КеШеу 2000.
Магнетосопротивление МК МК° 100 % в зависимости от величины магнитного поля при разных давлениях в образце представлено на рис. 6. Здесь МЯ и МЯ0 - удельное сопротивление образца в магнитном поле Н и в нулевом магнитном поле, соответственно.
Экспериментальные результаты и их обсуждение Электрическое сопротивление. Электрические свойства исследуемых структур зависят от размеров гранул, от доли пространства, заполненного MnAs. На рис. 3 приведена зависимость удельного сопротивления от температуры р(Т) образца Cd3As2 + MnAs (MnAs-20 mass%) в диапазоне Т ~ (77^450) К. С ростом температуры удельное сопротивление растет, т. е. имеем металлическую проводимость.
■
2*3 ■ ■
(«•5 -
£ 1е-5 ■
С
о. 1е-5 • «е-« ■
1с-е -2г-6 .
50 100 150 200 250 300 350 400 150
Т. К
!0Ч«Со12
Рис. 3. Зависимость удельного электросопротивления от температуры
Барическая зависимость удельного сопротивления при подъеме и сбросе давления представлена на рис. 4. С ростом давления до 2,8 ОРа удельное электросопротивление очень медленно монотонно растет, затем наблюдаем резкий его рост, который достигает своего максимума при Р = 4,2 ОРа. При сбросе давления удельное электросопротивление падает с различными барическими коэффициентами, и при Р = 2,75 ОРа наблюдается максимум удельного электросопротивления.
30
25 20
10
5
О
О 2 4 6 8 10
Р, СРа
Рис. 4. Барическая зависимость удельного электросопротивления образца С^Л82 + МпЛ8 (МпЛ8-20 ша88%) при подъеме и сбросе давления
Рост удельного электрического сопротивления с давлением, вероятно, связано с объединением гранул и увеличением полупроводниковой прослойки между ними.
Такое поведение Сё3Лв2+МпЛ8 (МпЛб-20 шаБ8%) при высоких давлениях и температурах указывает на разные механизмы переноса заряда. Для этих структур характерны различные механизмы проводимости: туннелирование электронов между грану-
54 Вестник Дагестанского государственного университета.
Серия 1. Естественные науки. 2018. Том 33. Вып. 4
20%
лами через полупроводниковый барьер, прыжковая проводимость по локализованным состояниям с переменной длиной прыжка и механизм резонансного неупругого тунне-лирования между гранулами по локализованным состояниям, находящимся в полупроводниковой матрице. С ростом давления изменяется структурное состояние, связанное с дальнейшим расслоением фаз и изменениями полупроводниковой матрицы Сё3Лв2. Для установления механизма проводимости в этих структурах нужны дальнейшие исследования электрического сопротивления.
Коэффициент Холла. На рис. 5 представлена барическая зависимость коэффициента Холла Яя(Р). Коэффициент Холла до давлений Р ~ 3,65 ОРа проходит через максимум, и его поведение удовлетворительно коррелирует с барической зависимостью р(Р), для которой также характерно наличие четкого пика при Р ~ 4,2 ОРа. Проведя анализ барических зависимостей концентрации и подвижности, можно сделать вывод, что при приложении давления в Сё3ЛБ2 + милб (мплв-20 шаБ8%) имеет место структурный фазовый переход полупроводник-полупроводник.
Pressure (GPa)
Рис. 5. Зависимость коэффициента Холла от давления для образца Cd3As2 + MnAs (MnAs-20 mass%)
Магнетосопротивление. Главной особенностью кривых 100 % (H) явля-
ется наличие участка с отрицательным значением магнетосопротивления (ОМС). С увеличением давления отрицательная составляющая магнетосопротивления (МС) исчезает. МС неферромагнитных материалов, как правило, положительно, связано с действием силы Лоренца и не зависит от ориентации векторов напряженности магнитного поля и плотности тока, проходящего через образец. При давлениях P ~ 1,0 GPa и P ~ 2,6 GPa наблюдается область отрицательного магнетосопротивления. При дальнейшем увеличении давления магнетосопротивление немонотонно растет до Р ~ 4,3 GPa - область фазового перехода (рис. 6), которая на шкале высоких давлений удовлетворительно согласуется со значениями давлений, соответствующих фазовому переходу на кривых (p/p0)(P) и (Rh/Rh0)(P). На барических зависимостях магнетосопротивления (рис. 7) при P ~ 4 ГПа обнаружен фазовый переход, значение которого также на шкале высоких давлений удовлетворительно согласуется со значениями фазового перехода на кривых p(P)/p0(P) и RH(P)/RH0(P) (рис. 4, 5). Такое поведение магнетополе-
вых зависимостей магнетосопротивления при фиксированных давлениях в Сё3Лв2 + миЛб (МпЛб-20 шаБ8%) объясняется наличием двух конкурирующих механизмов рассеяния: лоренцевского и спин-зависимого рассеяния. В работе [11] объясняется механизм возникновения ОМС для ферромагнитных наноструктур: «В отсутствие магнитного поля угол между магнитными моментами ферромагнитных кластеров случаен, а при приложении магнитного поля их магнитные моменты выстраиваются вдоль поля, что приводит к заметному изменению сопротивления (уменьшению). Величина магнетосопротивления пропорциональна величине магнитного поля, косинусу углов между магнитными моментами и количеству ферромагнитных кластеров». В нашем случае уменьшение магнетосопротивления, вероятно, вызвано уменьшением расстояния между магнитными моментами гранул арсенида марганца под давлением. Приложение давления усиливает влияние магнитного поля, что приводит к возникновению ОМС, индуцированного давлением.
Рис. 6. Магнетополевые зависимости магнетосопротивления образца С^Л82 + МпЛ8 (МиЛ8-20 ша88%) при фиксированных давлениях
Рис. 7. Барические зависимости магне-тосопротивления при фиксированных значениях магнитного поля для образца СазЛ82 + МпЛ8 (МПЛ8-20 ша88%)
Заключение
На барических зависимостях удельного электросопротивления, коэффициента Холла и магнетосопротивления обнаружены фазовые переходы, положение которых на шкале высоких давлений удовлетворительно согласуется со значениями фазового перехода на кривых р/р0 (Р) и ЯН/Я0(Р). Поведение удельного электросопротивления при высоком давлении указывает на разные механизмы переноса заряда: туннелирование электронов между гранулами через полупроводниковый барьер; прыжковая проводимость по локализованным состояниям с переменной длиной прыжка. Для установления точного механизма проводимости нужны дальнейшие комплексные исследования композитов разного состава.
Главной особенностью наблюдаемой барической зависимости Ар/ро является наличие участка с отрицательным магнетосопротивлением.
Можно предположить, что поведение магнетополевых зависимостей магнетосо-противления при фиксированных давлениях объясняется наличием двух конкурирующих механизмов рассеяния: лоренцевского и спин-зависимого рассеяния.
В отсутствие давления поле H<5 kOe недостаточно для полного выравнивания магнитных моментов кластеров арсенида марганца в матрице диарсенида трикадмия. С последовательным увеличением давления влияние магнитного поля на ориентацию магнитных моментов арсенида марганца усиливается, о чем свидетельствует смена знака МС и появление ОМС.
Литература
1. Wang Z., Weng H., Wu Q., Dai X., Fang Z. Three-dimensional Diracsemimetal and quantum transport in Cd3As2 // Phys. Rev. - 2013. - № 88. - P. 125427.
2. Borisenko S., Gibson Q., Evtushinsky D., Zabolotnyy V., Buchner B., Cava R.J. Experimental Realization of a Three-Dimensional Dirac Semimetal // Phys. Rev. Lett. - 2014. -№ 113. - P. 027603.
3. Arushanov E.K. II3V2 Compounds and Alloys // Prog. Crystal Growth and Charact. -1992. - Vol. 25. - P. 131-201.
4. Hong Lu, Zhang Xiao, Shuang Jia. Topological Phase Transition in Single Crystals of (Cd1-xZnx)3As2, arXiv:1507.07169v1 [cond-mat.mtrl-sci] 26 Jul. - 2015. - P. 1-14.
5. Cisowski J. Semimagnetic Semiconductors Based on II-V Compounds // Phys. Stat. Sol. - 1997. - V. 200. - P. 311.
6. Aubin M.J., Caron L.G., Jay-Gerin J.-P. Band structure of cadmium arsenide at room temperature // Phys. Rev. 1977. - V. 15. - P. 3872-3878.
7. Wagner R.J., Palik E.D., Swiggard E.M. Physics of Semimetals and Narrow-Gap Sеmiconductors // D.L. Carter and R.T. Bate (eds.), Pergamon. - New York, 1971. - P. 471.
8. Алибеков А.Г., Моллаев А.Ю., Сайпуллаева Л.А., Маренкин С.Ф., Федорчен-ко И.В., Риль А.И. Эффект Холла и магнетосопротивление в композите Cd3As2 + MnAs (30 %) при высоком давлении // Журнал неорганической химии. - 2017. - T. 62, № 1. -С. 1-5.
9. Алибеков А.Г., Моллаев А.Ю., Сайпуллаева Л.А., Маренкин С.Ф., Федорчен-ко И. В. Магнитотранспортные явления в гранулированных структурах Cd3As2 + MnAs при высоком давлении // Неорганические материалы. - 2016. - Т. 52, № 4. - С. 1-4.
10. Моллаев А.Ю., Сайпулаева Л.А., Арсланов Р.К., Маренкин С.Ф. Влияние гидростатического сжатия на транспортные свойства монокристаллического диарсенида кадмия // Неорганические материалы. - 2001. - Т. 37, № 4. - С. 405-408.
11. Изотов А.Д., Маренкин С.Ф., Новоторцев В.М., Федоченко И.В. Синтез маг-нитогранулированных структур в системе полупроводник-ферромагнетик // Журнал неорганической химии. - 2015. - Т. 60, № 3. - С. 343-348.
Поступила в редакцию 23 октября 2018 г.
UDC 53.092
DOI: 10.21779/2542-0321-2018-33-4-51-58
Transport feromena in the Dirac semimetal based on tricadmium diarsenide
at high pressure
L.A. Saipulaeva1, A.G. Alibekov1, S.F. Marenkin4 5, N.V. Melnikova2, V.S. Zakhvalinsky3, M.M. Gadjialiev1, Z.Sh. Pirmagomedov1, T.N. Efendieva1
1 Institute of Physics, Dagestan Scientific Centre of the Russian Academy of Sciences; Russia, 367003, Makhachkala, M. Yaragsky st., 94; maggadji@rambler.ru;
2 Institute of Natural Science, Ural Federal University; Russia, 620000, Yekaterinburg, Lenin Ave., 51;
3 Belgorod State National Research University; Russia, 308015, Belgorod, ul. Victory, 85;
4 Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry, Russian Academy of Sciences; Russia, 119991, Moscow, Lenin Avenue, 31;
5 National Research Technological University "MISiS"; Russia, 101000, Moscow, Lenin Avenue, 31
Electrical and magnetic-field properties of the Dirac semimetal based on tricadmium diarsenide are tested under high hydrostatic pressure. The pressure and temperature dependences of the resistivity, the Hall Effect, and the magnetoresistance in transversal magnetic field are studied. Some features associated with phase transitions are found on baric dependences of the resistivity and the Hall coefficient. Field dependences indicate appearance of the pressure-induced negative magnetoresistance.
Keywords: high pressure, Hall effect, specific resistivity, negative magnetic resistance, electric transport.
Received 23 October, 2018
