НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2012, том 48, № 9, с. 990-994
УДК 541.123:546.21'831'832
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА РАЗБАВЛЕННЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ Cd1 _ _,Mn_,GeP2 И Cd1 _ _,Mn_,GeAs2
ПРИ ВЫСОКОМ ДАВЛЕНИИ
© 2012 г. А. Ю. Моллаев*, И. К. Камилов*, Р. К. Арсланов*, В. М. Новоторцев**, С. Ф. Маренкин**, В. М. Трухан***, Т. Р. Арсланов*, У. З. Залибеков*, И. В. Федорченко**
*Институт физики ДНЦ Российской академии наук, Махачкала **Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук, Москва ***Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению, Минск
e-mail: a.mollaev@mail.ru Поступила в редакцию 09.11.2011 г.
В разбавленных магнитных полупроводниках Cd1 _ xMnxGeAs2 (x = 0—36) и Cd1 _ xMnxGeP2 (x = 0— 0.225) исследованы структурные и магнитные фазовые переходы и магнетосопротивление при высоких гидростатических давлениях до 7 ГПа. Методом графических построений выделены нормальный и аномальный коэффициенты Холла.
ВВЕДЕНИЕ
Актуальной задачей синтроники — перспективного направления микроэлектроники — является поиск, синтез и исследование новых материалов. Такими материалами являются разбавленные магнитные полупроводники, обладающие высокой температурой Кюри, в которых успешно сочетаются полупроводниковые и магнитные свойства.
Создание этих материалов осуществляется введением в полупроводниковую матрицу соединений Л11Б1УС^ ^-элементов (марганца, хрома,
железа). Полупроводники группы АПБ1УС^ являются электронными аналогами соединений ЛШБУ [1]. Преимущество соединений Л11Б1УС ^ по сравнению с АШВУ как матриц для получения ферромагнитных полупроводников, по-видимому, состоит в большей растворимости атомов ^-элемен-тов (Мп, Сг, Бе). Более высокая растворимость обеспечивает возможность получения ферромагнетиков с высокой температурой Кюри.
Сравнительно недавно обнаружено, что наиболее высокими температурами Кюри обладают соединения Л11Б1УС^, легированные марганцем [2— 4]. Наивысшая температура Кюри (Тс = 355 К) была получена для СёОеЛ82, содержавшего 3 мас. % Мп [5, 6].
Цель данной работы — исследование электрических и магнитных свойств разбавленных магнитных полупроводников Сё1 _ хМпхОеР2 и Сё1 _ хМпхОеЛ82 при высоком давлении.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Основные параметры исходных образцов (СёОеЛз2 и СёОеР2) и образцов, легированных марганцем (Сё1 -хМпхОеЛ82, Сё1 -хМпхОеР2), представлены в таблице.
Барические зависимости коэффициента Холла (Дх) и поперечного магнитосопротивления ЛРта/Ро измеряли на поликристаллических образцах Сё1 _ хМпхОеЛ82 и Сё1 _ хМпхОеР2 в аппарате высокого давления типа "Тороид" при гидростатическом давлении р < 7 ГПа в области комнатных температур при подъеме и сбросе давления. Аппарат "Тороид" помещали в соленоид с напряженностью Н < 5 Э. В качестве рабочей ячейки использовали фторопластовую капсулу с полезным объемом ~80 мм3, которая имела 8 электровводов, что позволяло измерять одновременно под давлением удельное сопротивление (р), ЯХ и Архх/р0. Давление контролировали по манганиновому манометру, отградуированному по нескольким ре-перным точкам Б1 во всем диапазоне давлений. Более подробно методика эксперимента описана в [7, 8].
Образцы имели форму параллелепипеда с размерами 4 х 1 х 1 мм. Однородность образцов контролировали по значениям р и ЯХ четырехзондо-вым методом. Контакты изготовляли пайкой с помощью свинцово-оловянного припоя. Их омичность контролировали по вольт-амперным характеристикам.
Динамическую магнитную проницаемость измеряли при регистрации изменения частоты резонансного контура, сердечником катушки индуктивности которого являлся образец. Вариант
Электрические и магнитные свойства образов С^ _ хМпхОеАз2 и С^ _ хМпхОеР2 при комнатной температуре и атмосферном давлении
№ Образец Содержание Мп Тип р, Ом см ЯХ, см3/К ЙБ Тс, К ©, К
мас. % X
1 С(ЮеА52 - - Р 2.16 964.5 - - -
2 Сё1 _ хМпхОеАз2 1 0.06 Р 10 2250 7.4 329 301
3 3 0.18 Р 2.3 90 8.0 329 329
4 4 0.24 Р 0.25 7 8.0 355 325
5 5 0.30 Р 0.03 0.8 8.0 355 325
6 6 0.36 п 0.12 0.5 8.0 355 321
7 С<ЮеР2 - - Р 27.5 73.1 - - -
8 С^ - хМпхОеР2 2 0.09 Р 3.02 20 - - -
9 3 0.135 Р 2 10 - - -
10 4.56 0.19 Р 0.72 3 5.8 330
11 5 0.225 Р 1530 5 х 103 - - -
использования автогенератора на основе такого контура для измерения динамической магнитной проницаемости имеет свои преимущества: он удобен для записи как спектральных характеристик, так и температурных и полевых зависимостей, а также зависимостей от приложенных внешних давлений. Для изготовления автогенератора использовали микросхему К155ЛН1. При переходе через точку ферромагнитного упорядочения или структурного перехода его собственная частота изменялась от 2 МГц до 20 кГц. Частоту автогенератора измеряли с использованием частотомера.
Магнитную проницаемость (ц) вычисляли исходя из условия равенства индуктивности тороидальной катушки с числом витков (Ж) и индуктивности, полученной из собственной частоты колебательного контура автогенератора:
ц = т2 X Ю7/8%2СМ2к1п. Ь/а.
(1)
Здесь С — емкость конденсатора; т — период колебаний; а, Ь, к — внутренний радиус; внешний радиус и высота тороидальной катушки соответственно.
Затем по формуле
ц = 1 + 4ях
определяли магнитную восприимчивость (%). При слабой выраженности эффекта измерения проводили в режиме накопления и усреднения. При использовании данной методики нет необходимости учитывать такой важный параметр измерительной установки для частотных измерений, как широта динамического диапазона.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЯ
Для всех базовых (СёОеА82, СёОеР2) и легированных марганцем (Сё1_ хМпхОеАз2 и Сё1 _хМпхОеР2) образцов обнаружены и исследованы структурные фазовые переходы на зависимостях р(р) и ЯХ(р) при подъеме и сбросе давления (рис. 1, 2).
В Сё1 _ хМпхОеАз2 (х = 0—0.36) наблюдаются фазовые переходы при подъеме давления и при сбросе давления. С увеличением содержания марганца значения точек, отвечающих фазовым переходам, сдвигаются в сторону низких давлений. Все наблюдаемые фазовые переходы обратимые.
Во всех образцах Сё1_ хМпхОеАз2 также наблюдаются структурные фазовые переходы. Значения параметров, отвечающих им, возрастают с увеличением содержания марганца (3; 3.3; 3.4; 3.5; 3.6 мас. %) при подъеме и сбросе давления. В образцах с х < 0.19 при сбросе давления наблюдается частичное разложение вещества, что подтверждается данными РФА. В образцах с х > 0.19 фазовый переход обратимый.
Во всех исследованных образцах Сё1 _хМпхОеАз2 и Сё1_ хМпхОеР2 наблюдалось индуцированное давлением магнетосопротивление. Из рис. 3 видно, что магнетосопротивление в р-Сёх _ хМпхОеР2 сначала растет, проходит через максимум и при р = 1.4—1.9 ГПа становится отрицательным. С увеличением содержания марганца возрастает отрицательное магнетосопротивление и давление, при котором происходит переход от положительного к отрицательному магнетосопротивлению. До р < 2 ГПа основной вклад в магнетосопротивление вносит рассеяние на флуктуациях намагниченности, и магнетосопротивление положительно. С ростом давления в магнитном поле проис-
992
МОЛЛАЕВ и др.
х
Рис. 1. Зависимости положения точек структурного фазового перехода при подъеме (1) и сбросе (2) давления для С^ _ хМпхОеЛБ2. На вставке — барические зависимости р/ро (1, 1') и Лх/Лх0 (2, 2') для С^ 82-Мпо 18ОеЛБ2 при подъеме (компрессии) (1, 2) и сбросе (декомпрессии) (1', 2') давления.
3.6 -
3.5 -
3.4 -
С 3-3"
1-4
3.2 -
3.1 -
3.0 -
0.25
Рис. 2. Зависимости положения точек структурного фазового перехода при подъеме давления для С^ _ хМпхОеР2. На вставке — барические зависимости р/р0 (1, 1') и Лх/Лх0 (2, 2') для С^ 81Мп0 190еР2 при подъеме (компрессии) (1, 2) и сбросе (декомпрессии) (1', 2') давления.
0 0.05 0.10 0.15 0.20
х
0 1 2 3 4 5
Р, ГПа
Рис. 3. Барические зависимости поперечного магне-тосопротивления Архх/р0 в магнитном поле Н = 5 Э для _ хМпхОеР2 с х = 0.225 (1), 0.19 (2), 0.135 (3), 0.09 (4).
ходит упорядочивание спинов ионов марганца, что снижает рассеяние и приводит к отрицательному магнетосопротивлению. При сбросе давления наблюдается гистерезис. Поведение магнето-сопротивления в Сёх _ хМпхОеАз2 аналогично.
Во всех исследованных образцах Сёх _ хМпхОеЛз2 и Сёх _ хМпхОеР2 обнаружены магнитные фазовые переходы. На экспериментальных зависимостях х /Хо от давления (хо _ значение магнитной восприимчивости при атмосферном давлении) имеются пики для Сёх _ хМпхОеАз2 при Р = 1.61.9 ГПа и для Сёх _ хМпхОеР2 при Р = 2.4_1.35 ГПа. На аналогичных зависимостях для базовых образцов пиков нет. С увеличением содержания марганца пик сдвигается в сторону высоких давлений в случае р-Сёх_хМпхОеАз2 и в сторону низких давлений для р-Сёх _ хМпхОеР2. Величина максимума в обоих образцах растет с увеличением содержания марганца. При сбросе давления наблюдается гистерезис.
Наблюдаемый фазовый переход интерпретирован нами как метамагнитный фазовый переход из состояния с низкой намагниченностью в состояние с высокой намагниченностью [9, 10]. Экспериментальные кривые предоставлены на рис. 4.
В разбавленных магнитных полупроводниках удельное сопротивление представляет собой сумму двух составляющих:
р = В-хН + RхM,
где ВХ0 и _ нормальная и аномальная составляющие коэффициента Холла, Н _ напряженность магнитного поля, М _ намагниченность. Путем графических построений из магнетополе-
2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4
, 0 ,0.1 ,0.2 ,0.3 х ,
0 1 2 3 4 5 6
Р, ГПа
Рис. 4. Барические зависимости относительной магнитной восприимчивости для С^ _ хМпхОеР2 с х = = 0.225 (1), 0.19 (2), 0.135 (3), 0.09 (4). На вставке _ зависимости положения точек магнитных фазовых переходов для С^ _ хМпхОеР2 (1) и С^ _ хМпхОеАБ2 (2) при подъеме давления.
вых зависимостей удельного сопротивления для различных температур построены температурные зависимости ВХ0 и ВХл. На рис. 5 приведены типичные температурные зависимости ВХ0 и для р-С^ _ хОеА52.
Э
«¿Г
Э
50 40 30 20
£
Рис
%0 для
100 150 200 250 300 350 400 Т, К
. 5. Температурные зависимости нормального (1) и аномального Лх (2) коэффициентов Холла
994
МОЛЛАЕВ и др.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.