ЖУРНАЛ НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2015, том 60, № 8, с. 1095-1099
ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
УДК 621.315.592
ВЛИЯНИЕ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ НА ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЕ И ИЗМЕНЕНИЕ ОБЪЕМА В ФЕРРОМАГНИТНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ AIIBIVCV:Mn
© 2015 г. А. Ю. Моллаев*, Р. К. Арсланов*, И. К. Камилов*, Т. Р. Арсланов*, У. З. Залибеков*, И. В. Федорченко**
*Институт физики им. Х.И. Амирханова ДНЦ РАН, Махачкала E-mail: a.mollaev@mail.ru **Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Москва Поступила в редакцию 10.09.2014 г.
В объемных образцах p-Cdi _ xMnxGeP2, p-Cdi _ xMnxGeAs2 и p-Zni _ xMnxGeAs2 при высоких гидростатических давлениях (P < 9 ГПа) измерены барические зависимости удельного электросопротивления и изменения объема. Во всех исследованных образцах наблюдались фазовые переходы, сопровождающиеся скачком объема. Это позволило сделать вывод о том, что наблюдаемый фазовый переход представляет собой структурный фазовый переход, индуцируемый давлением.
DOI: 10.7868/S0044457X15080139
Новым перспективным направлением науки и техники в последние годы становится спинтро-ника (электроника на спиновом транспорте), в которой в качестве активного элемента хранения и передачи информации наряду с зарядом выступает спин электрона.
В устройствах спинтроники используют ферромагнитные и полупроводниковые свойства материала, т.е. его спиновые и зарядовые степени свободы. Поэтому одна из ключевых задач спинтроники — поиск, синтез и исследование новых ферромагнитных полупроводников с высокими температурами Кюри и с высокоподвижными поляризованными по спину носителями тока. Эти материалы должны быть высокотехнологичными для получения их в виде качественных монокристаллов и пленок известными химическими методами. Этим требованиям в большой степени отвечают магнитные полупроводники на основе матриц АПВ1УС^ [1—3] — ближайших электронных аналогов соединений АШВУ.
В качестве объектов исследования нами были выбраны высокотемпературные ферромагнитные полупроводники СёОеА82, СёОеР2 и ZnGeAs2, легированные марганцем, в которых оптимальным образом сочетаются электрические и магнитные свойства. Меняя степень легирования, можно формировать материалы с различными электрическими и магнитными свойствами от разбавленных магнитных полупроводников до ферромагнитных композитов, в полупроводниковой матрице которых находятся кластеры микро- и наноразмеров [4, 5] для создания электронных устройств нового поколения.
Экспериментальное исследование ферромагнитных полупроводников имеет не только практическое, но и теоретическое значение. Остается, однако, открытым вопрос о сильной связи электронной и магнитной подсистем с кристаллической решеткой. Представлялось интересным одновременное исследование электросопротивления и изменения объема при высоком гидростатическом давлении.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Объемные образцы А11В1Ус2', легированные марганцем, были синтезированы в ИОНХ РАН из высококачественных порошков CdAs, СёР, ZnAs и Ge. Более подробно методика получения образцов описана в работах [3, 6, 7]. Содержание марганца в образцах определяли методом атомной абсорбции. По данным РФА, образцы были однофазными. Гидростатическое давление Р < 9 ГПа генерировалось пресс-установкой усилием 630 т.н. в камере типа "наковальня с лункой" ("Тороид"). Электросопротивление измеряли обычным четырехзондовым методом (методика измерений кинетических коэффициентов при высоких давлениях описана в [8, 9]).
Для измерения объемной сжимаемости использовали тензометрический метод. Поликристаллические образцы CdGeAs2:Mn, CdGeP2:Mn и ZnGeAs2:Mn имели форму параллелепипеда с размерами 3 х 1 х 1 см, на одну из граней которого наклеивали тензометрический датчик, выполненный в виде манганиновой проволоки. Проволоку помещали между двумя листками тонкой бумаги и приклеивали изолирующим клеем (типа БФ). Датчик включали в плечо обычной мосто-
Электрофизические параметры образцов СёОеАБ2:Мп, СёОеР2:Мп и /пОеАБ2:Мп при атмосферном давлении и комнатной температуре
№ Образец Содержание Мп Тип р, Ом см %, см3/К
мас. % X
1 СёОеАБ2 — — Р 2.16 964.5
2 Сё! _ хМпхОеАБ2 1 0.06 Р 10 2250
3 Сё! _ хМпхОеАБ2 3 0.18 Р 2.3 90
4 Сё! _ хМпхОеАБ2 4 0..4 Р 0.25 7
5 Сё! - хМпхОеАБ2 5 О.Ю Р 0.03 0.8
6 Сё! _ хМпхОеАБ2 6 0.06 п 0.12 0.5
7 СёОеР2 — — Р 27.5 73.1
8 Сё! - хМпхОеР2 2 0.9 Р 3.02 20
9 Сё! - хМпхОеР2 3 0Л35 Р 2 10
10 Сё! - хМпхОеР2 4.56 0.19 Р 0.72 3
11 Сё! - хМпхОеР2 5 0.225 Р 1530 5 х 103
12 /п! - хМпхОеАБ2 0.02 Р 0.3
13 /п! - хМпхОеАБ2 0.04 Р 0.4
вой схемы постоянного тока, на диагонали которого находился чувствительный к напряжению прибор.
Особенность данной методики состоит в том, что чувствительный элемент тензодатчика почти во всем диапазоне измерений работает в режиме пластической деформации. Абсолютная точность измерений удельного объема по данной методике составляет 0.1%. Относительная точность (чувствительность) измерений — 10-3%.
Тензометрический метод позволяет проводить измерения сжимаемости твердых тел с точно-
стью, не уступающей рентгеновской, и дает возможность исследовать кинетику фазового превращения [10]. Параметры исследованных образцов представлены в таблице.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Экспериментальные результаты барической зависимости исследованных образцов Р-Сё!-хМпхОеР2, Р-Сё! _ хМпхОеА82 и Р-Ъщ _ хМпхОеА82 представлены на рис. 1—5. На барических зависимостях базового образца СёОеА82 (обр. 1) и образцов
2 3 4 Р, ГПа
1 2 3 4 5 6 7 8 Р, ГПа
Рис. 1. Барические зависимости приведенного объема (а) и электросопротивления (б) в образцахр-С^ _хМпхОеАБ2.
Рис. 2. Зависимости положения точек структурного фазового перехода при подъеме (1) и сбросе (2) давления для Сё1 _ ^М^^АБ^
Рис. 3. Барические зависимости удельного объема (а) и электросопротивления (б) в образцах _ xMnxGeP2.
Сё1 _ хMnхGeAs2 (обр. 2—6) обнаружены и исследованы структурные фазовые переходы при Р = = 5.9, 5.7, 5.5, 5.4, 5.2, 4.9, 4.8 ГПа, положения которых с увеличением процентного содержания марганца сдвигаются в сторону низких давлений (рис. 1а, 2). При сбросе давления также наблюдаются фазовые переходы при Р = 2.9, 2.8, 2.7, 2.6, 2.5, 2.4, 2.3 ГПа. Значения удельного электросопротивления до приложения давления и после его сброса совпадают, т.е. имеет место обратимый фазовый переход [11].
Барические зависимости изменения относительного объема для образцов р-Сё1- хMnхGeAs2 представлены на рис. 1б. Из рисунка следует, что относительный объем образцов с давлением убывает и при Р ~ 6 ГПа уменьшается на ~5%, а в обла-
сти фазового перехода наблюдается "скачок" объема на ~0.7, это позволяет сделать вывод о том, что в Сё1- хMnхGeAs2 имеет место фазовый переход, сопровождаемый скачкообразным изменением объема.
На базовом образце CdGeP2 (обр. 3) и образцах Сё1 _ хMnхGeP2 (обр. 8—11) на барических зависимостях удельного электросопротивления при приложении давления наблюдаются структурные фазовые переходы, положение которых при Р = 3, 3.3, 3.4, 3.5, 3.6 ГПа сдвигается в сторону высоких давлений с увеличением степени легирования (рис. 3а, 4). В образцах 7, 9 при сбросе давления зафиксировано частичное разложение вещества. В образцах с х > 0.19 (обр. 10, 11) фазовый переход был обратимым, т.е значения удельного электросопро-
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
Сё! - хМпхОеР2 (обр. 9-!!). Из рисунка видно, что объем всех исследуемых образцов почти линейно убывает с ростом давления на ~4 и в области фазового перехода наблюдается скачок объема на ~0.3%.
Сценарии изменения удельного электросопротивления и объема в зависимости от давления
в образцах Сё! _ логичны.
хМпхОеА:52 и Сё
хМпхОеР2 ана-
Рис. 4. Зависимости положения точек структурного фазового перехода при подъеме давления для СёхМпхОеР2.
тивления до и после приложения давления равны. Данные о характере фазовых переходов при высоком давлении подтверждают результаты рентге-нофазового анализа (РФА) [12].
На рис. 3б представлены зависимости относительного объема от давления для образцов
На рис. 5а и 5б представлена зависимость приведенного электросопротивления образцов Р-2п! - хМпхОеА82 (обр. 12, 13). Из рис. 5а следует, что на образце 12 приведенное электросопротивление практически не меняется до давления 7 ГПа, при Р ~ 7 ГПа резко падает (на ~3 порядка) и затем выходит на насыщение, т.е. при Р ~ 7 ГПа наблюдается фазовый переход. Объем до 7 ГПа меняется слабо, при Р ~ 7 ГПа резко уменьшается (на ~5%) и также выходит на насыщение. Зависимости приведенного электросопротивления и объема для образца 13 аналогичны таковым для образца 12 с той поправкой, что приведенное электросопротивление уменьшается более чем на 2 порядка, а объем - на ~5%.
Итак, по измерениям барических зависимостей приведенного электросопротивления и объема на ферромагнитных образцах /п!-хМпхОеА82,
10-
10-
10-
(а)
(б)
а
10-
10-
: 12
жлпямтэшплшааюмшшп ■ ■ ■ ■
■ я
: 13
1
■
■
■ ■ ■
■
V.
_|_I_1_
0 123456789 Р, ГПа
1.00
0123456789 Р, ГПа
0
X
Рис. 5. Барическая зависимость приведенного электросопротивления (а) и приведенного объема (б) для образцов /п! -хМпхОеАБ2 при комнатной температуре. Цифры на рисунке соответствуют номерам образцов.
Cd1-хMnхGeP2 и Cd1-хMnхGeAs2 установлено, что в области фазового перехода во всех исследованных образцах наблюдается скачок объема. Это позволяет сделать вывод о наличии во всех измеренных образцах структурного фазового перехода. Полученные нами зависимости положения фазовых переходов от процентного содержания марганца можно использовать в качестве реперов давления. Таким образом, для трех ферромагнитных полупроводников со структурой халькопирита наблюдается отчетливая корреляция между транспортными и объемными свойствами. Кроме того, можно полагать, что наблюдаемое изменение электросопротивления и объема напрямую связано с изменением их магнитного поведения.
Работа выполнена при финансовой поддержке программы Президиума РАН П37 Физика высокого давления.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Калинников В.Т., Новоторцев В.М., Аминов Т.Г. // Мат. Всерос. конф. СПб., 2003. С. 15.
2. Калинников В.Т
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.