НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2011, том 47, № 11, с. 1285-1288
УДК 541.123:546.21 '831 '832
ОБЪЕМНАЯ МАГНИТОСТРИКЦИЯ В РАЗБАВЛЕННОМ МАГНИТНОМ ПОЛУПРОВОДНИКЕ Cdx_ xMnxGeAs2 (x = 0.06-0.3) ПРИ ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЯХ
© 2011 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 ДНЦРоссийской академии наук, Махачкала e-mail: arslanovr@gmail.com ** 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 11.04.2011 г.
Впервые тензометрическим методом исследован удельный объем разбавленного магнитного полупроводника Cdj_ xMnxGeAs2 (x = 0.06—0.3) при гидростатических давлениях до 7 ГПа. Из барических зависимостей удельного относительного объема определены значения объемной магнито-стрикции (коэффициент спонтанной намагниченности). Расчеты, проведенные с помощью скей-лингового выражения, позволили оценить значение объемного модуля в магнетоупорядоченной и магнетонеупорядоченной фазах.
ВВЕДЕНИЕ
Несмотря на большой экспериментальный материал по исследованию разбавленных магнитных полупроводников, нет единого мнения об их природе. В частности, остается открытым вопрос о формировании ферромагнитного состояния в разбавленных магнитных полупроводниках, обсуждается вопрос о сильной связи электронной и магнитной подсистем с кристаллической решеткой. Данные о сжимаемости кристаллической решетки под давлением также крайне скудны [1, 2].
В [3—5] исследованы кинетические и магнитные свойства магнитного полупроводника СёОеАз2, легированного Мп, при гидростатических давлениях до 7 ГПа. Настоящая работа является продолжением этих исследований.
Цель работы — экспериментальное исследование разбавленного ферромагнитного полупроводника Сё1-хМпхОеЛ82 (х = 0.06—0.3) при гидростатическом сжатии до 7 ГПа.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Параметры образцов приведены в табл. 1. Синтез образцов и технологические режимы выращивания описаны в [6, 7].
В работе использовали тензометрический метод измерения сжимаемости твердых тел [6—8] при гидростатическом давлении до 7 ГПа. Давление создавали в аппарате высокого давления "Тороид" [9, 10].
Поликристаллический образец Сё1-хМпхОеЛз2 имел форму параллелепипеда с размерами 3 х 1 х х 1 см, на одну из граней которого наклеивали тен-зометрический датчик, выполненный в виде манганиновой проволоки. Проволоку помещали между двумя листками тонкой бумаги и приклеивали изолирующим клеем (типа БФ). Датчик включается в плечо обычной мостовой схемы постоянного тока, на диагонали которого находится чувствительный к напряжению прибор.
Особенность данной методики состоит в том, что чувствительный элемент тензодачика почти во всем диапазоне измерений работает в режиме пластической деформации. Абсолютная точность измерений удельного объема по данной методике со-
Таблица 1. Значения удельного сопротивления (р) и коэффициента Холла (ЯХ) образцов хМпхОеЛБ2 (х = 0.06—0.3) р-типа проводимости при атмосферном давлении и комнатной температуре
х р, Ом см Rx, см3/Кл
0.00 2.16 964.5
0.003 3.0 504
0.053 1.68 142
0.06 10 2250
0.18 0.23 10
0.30 0.62 5
0.36 0.12 0.5
1286
МОЛЛАЕВ и др.
0
-1
< -3
3° -4 -5 -6
0 1 2 3 4 5 6' р, ГПа
Рис. 1. Барические зависимости объемной сжимаемости для образца С^ _ хМпхОеЛБ2 при х = 0.06 (1), 0.18 (2), 0.24 (3), 0.3 (4).
ставляет 0.1%. Относительная точность (чувствительность) измерений — 10_3%.
Тензометрический метод позволяет проводить измерения сжимаемости твердых тел с точностью, не уступающей рентгеновской, и дает возможность исследовать кинетику фазового превращения.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Зависимости объемной сжимаемости для образцов Сёх _хМпхОеЛз2 с (х = 0.06, 0.18, 0.24 и 0.30) показаны на рис. 1. Видно, что уменьшение объема происходит почти линейно до р ~ 4 ГПа, а при дав-
Б, ГПа
150
100
50
г
4 А
3
2
1 1 1 1 1 1
34 р, ГПа
Рис. 2. Барические зависимости объемного модуля для образца С^ _хМпхОеЛБ2 при х = 0.06 (1), 0.18 (2), 0.24 (3), 0.3 (4).
лениях р > 1.5 ГПа на кривых наблюдается излом, обусловленный, вероятно, метамагнитным превращением. Метамагнитный эффект был обнаружен в образцах Сё09Мп01ОеЛз2 и Сё0.7Мп0.3ОеЛ52 при исследовании магнитных свойств [5, 11].
Экстраполяция барической зависимости АУ/У0 из области высокого давления позволяет оценить значение объемной магнитострикции (юД т.е. объем решетки изменяется из-за самопроизвольной намагниченности ферромагнитной фазы. Значения при Т = 297 К для исследованных образцов Сёх _ хМпхОеЛз2 составляют 0.5—1.7% и хорошо согласуются с результатами [12].
Использование тензометрического метода в условиях гидростатического давления позволяет по экспериментальным зависимостям АУ/У0 отр более тщательно изучить сжимаемость решетки в области магнитного превращения. Исчезновение ферромагнитного состояния под давлением проявляется в виде резкого уменьшения сжимаемости решетки и увеличения объемного модуля (Б), начинающегося с р > 4.5 ГПа. Объемный модуль увеличивается в широком диапазоне давлений прир > 4.5 ГПа и постепенно насыщается вплоть до р = 7 ГПа. Это указывает на то, что магнитное превращение ферромагнетик ^ парамагнетик происходит при этом давлении. Значение объемного модуля ферромагнитной фазы Бу = 110—120 ГПа находится в хорошем согласии с результатом [6] (Бу = 119 ± 5 ГПа). Значение объемного модуля парамагнитной фазы Бр = 180 ГПа (при р > 7 ГПа) также хорошо согласуется с данными работы [6], согласно которой значение Бр = 180 ± 8 ГПа является средним в диапазоне давлений от 5 до 12 ГПа.
Важно отметить, что упрочнение объемного модуля в области, где ферромагнитное состояние исчезает, идет гладко, что указывает на сосуществование ферромагнитных и парамагнитных областей в широких пределах давлений. Переход из ферромагнитного состояния в парамагнитное не является переходом первого рода, а сосуществование фаз нужно рассматривать как процесс флуктуации.
Природа возникновения магнитного превращения в магнитных сплавах установлена в [7, 8], где температурная зависимость упругих постоянных изучалась ультразвуковым методом. Таким образом, температурная зависимость объемного модуля очень похожа на зависимости, показанные на рис. 2. Авторы [8, 13] объяснили температурную зависимость объемного модуля тепловыми и объемными флуктуациями, а не химической неоднородностью образца. Это означает, что ферромагнитные и парамагнитные области сосуществуют вместе. Наши результаты соответствуют этим идеям. Значения объемного модуля совпадают с данными [8, 13] до р = = 4 ГПа (рис. 2). Однако прир > 4 ГПа значение Б начинает снижаться, и это снижение становится
6
0
1
2
5
7
ОБЪЕМНАЯ МАГНИТОСТРИКЦИЯ В РАЗБАВЛЕННОМ МАГНИТНОМ 1287
Таблица 2. Магнитные и магнитоупругие параметры Cdj _ xMnxGeAs2
x Tc, K [3] pc, ГПа dTC/dp, K/ГПа PsR, ГПа ros, % B, ГПа*
0.06 329 4,7 -6.8 1.9 0.5 143
0.18 329 4.3 -7.5 1.8 0.8 133
0.24 355 4.2 -13.8 1.7 1.24 125
0.30 355 4.1 -14.0 1.6 1.7 120
Примечание. Тс — температура Кюри, рс — давление магнитного перехода ферромагнетик—парамагнетик, — давление спинового упорядочения, <в5 — спонтанная магнитострикция, В — объемный модуль. * При Т = 297 К и атмосферном давлении.
все более значительным при дальнейшем увеличении давления. Значение модуля упругости при р > >4.1 ГПа значительно меньше первоначальной величины. Увеличение давления выше 4.1 ГПа приводит к значительному росту объемного модуля.
Зависимость объемного модуля (и сжимаемость) проявляется как типичная ^-аномалия, которая происходит, очевидно, из-за магнитного превращения (исчезновения ферромагнетизма) при р ~ 4.1 ГПа. В результате компьютерной обработки получено скейлинговое выражение:
B =
P Рс
+ С,
применяемое для анализа критических явлений. Здесь а, с — коэффициенты, Ь и рс — критический параметр и критическое давление (для ферромагнитной фазы Ь = 0.84, рс^ = 4.04 ГПа; для парамагнитной фазы Ьр = 0.8, рСр = 4.03 ГПа). Аналогичные зависимости объемного модуля В от давления были получены в [7, 14] для Y2Fe14B и Nd2Fe14B по ультразвуковым измерениям при высоких температуре и давлении.
Зависимость температуры Кюри от давления в Cd1 _ хМпхОеЛз2 может быть оценена по известным значениям Тс = 355 К [15] и давлению перехода (рс) ферромагнетик ^ парамагнетик как
йТс/йр = (Тс - ТкОМн)/рс.
В табл. 2 даны значения магнитных и магнито-упругих свойств, определенные из экспериментальных результатов, приведенных на рис. 2.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведены измерения удельного объема разбавленного магнитного полупроводника Cd1-хМпхОеЛ82 (х = 0.06-0.3) тензометриче-ским методом при высоких давлениях до 7 ГПа.
Из барических зависимостей удельного относительного объема по наклону кривых рассчитаны значения объемной магнитострикции (коэффициенты спонтанной намагниченности).
По скейлинговой формуле рассчитаны значения объемного модуля магнетоупорядоченных и магне-тонеупорядоченных фаз.
Работа выполнена при финансовой поддержке программы Президиума РАН "Теплофизика и механика экстремальных энергетических воздействий и физике сильно сжатого вещества" (секция "Физика сильно сжатого вещества").
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Иванов В.А., Аминов Т.Г., Новоторцев В.М., Калинников В.Т. Спинтроника и спинтронные материалы // Изв. АН. Сер. хим. 2004. № 11. С. 2255-2303.
2. TsiokO.B., Bredikhin V.V., Sidorov VA., KhvostantsevL.G. Measurements of Compressibility of Solids and Powder Compacts by a Strain Gauge Technique at Hydrostatic Pressure up to 9 GPa // High. Press. Res. 1992. V. 10. P. 523-533.
3. MollaevA.Yu., KamilovI.K., ArslanovR.K. etal. Baric and Temperature Dependences of Kinetic Coefficients in p-Cd0.7Mn0.3GeAs2 at Atmospheric and High Pressure // Phys. Status Solidi. 2009. V. 246. № 3. P. 655-657.
4. Моллаев А.Ю., Камилов И.К., Маренкин С.Ф. и др. Магнитные фазовые переходы и гальваномагнитные эффекты в высокотемпературном ферромагнетике p-Cd0jMn03GeAs2 при
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.