Электрические и магнитные свойства твердых растворов сульфидов марганца с редкоземельными элементами RexMn1-xS(Re=Sm,Yb)

• Автор: Харьков, Антон Михайлович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Красноярск
• Количество страниц: 124 с. : ил.

Содержание
Введение

Глава 1. Литературный обзор

1.1 Магнитные свойства и структура соединений с переменной валентностью

1.1.1 Электрические свойства соединений с промежуточной валентностью

и их интерпретация

1.1.2 Решеточные и кинетические свойства

1.1.3 Электронная структура и эффект Кондо

1.2 Сульфиды редкоземельных элементов с переменной валентностью

1.3 Магнитоемкость

1.4 Методика эксперимента и экспериментальная установка

Глава 2. Экспериментальные результаты. Магнитные свойства твердых растворов SmxMni.xS.
2.1 Магнитные восприимчивости и кривые намагничивания для слабо допированных образцов
2.2 Состояние спинового стекла в твердых растворах 8тхМп1.х
2.3 Экспериментальные результаты и обсуждение
2.4 Модели и интерпретация результатов
2.5 Выводы
Глава 3. Электрические свойства твердых растворов 8тхМп1.х
3.1 Температурная зависимость электросопротивления в твердых растворах 8тхМп1.х8
3.2 Экспериментальные результаты и обсуждение
3.3 Модели и сравнение с экспериментом
3.4 Выводы
Глава 4. Корреляция магнитных и электрических свойств в твердых растворах УЬхМп|_х8
4.1 Структура и магнитные свойства
4.2 Электрические свойства
4.3 Выводы
Глава 5. Гальваномагнитные свойства УЬХМП].Х
5.1 Экспериментальные результаты
5.2 Модель и обсуждение результатов
5.3 Выводы
Заключение
Библиографический список

Введение
Актуальность темы. Поиск и исследование новых веществ, проявляющих свойства мультиферроиков и сильную взаимосвязь между магнитной, электронной и упругой подсистемами, проявляющихся в виде магнитоэлектрических и магниторезистивных эффектов в области комнатных температур, представляет интерес, как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения. Это позволит создавать эффективные сенсоры и элементную базу в микроэлектронике, в частности в спинтронике, в которой используются преимущества, как энергонезависимой магнитной памяти, так и быстродействующих электрических систем обработки информации. В спинтронике для преобразования электрического сигнала используется не только зарядовая степень свободы электрона, но также и спин, что позволяет создавать принципиально новые спинтронные устройства. К таким веществам относятся неупорядоченные системы, в которых наблюдаются переходы металл-диэлектрик (ПМД) и эффекты колоссального магнитосопротивления и магнитоемкости.
Перспективными материалами для решения этих задач служат магнитные полупроводники на основе сульфида марганца 11ехМп1_х8 (11е = Эш, УЬ) замещенные 4В элементами с переменной валентностью. Двухвалентные ионы УЬ2+ имеют заполненную оболочку 4Г14, а УЬ2+ (4Г13) - одну дырку в Поболочке. В этом случае существенно как кулоновское взаимодействие, так и обменные взаимодействия электронов при М гибридизации. Замещение ионов марганца ионами УЪ может привести к зарядовым флуктуациям, сопровождающимися изменением ионного радиуса и к сильному электрон-фононному взаимодействию. В вт существенны многоэлектронные конфигурации 4^ и 4^, для которых межэлектронные корреляции, спин-орбитальное взаимодействие может привести к андерсоновской локализации или к образованию волны плотности валентности. Энергии редкоземельных ионов могут быть расположены как вблизи валентной зоны, так и зоны проводимости сульфида марганца, что также отразится на магнитных и кинетических свойствах. Характерные времена флуктуации валентности совпадают с характерными фононными временами. В сульфиде марганца носителями тока являются поляроны, поэтому в твердых растворах возможно ожидать существенного взаимодействия между электронами на ионах марганца и редкоземельного элемента через решеточные степени свободы.
Электроны в узкой 4Н подзоны при <1^ гибридизации обладают сильным спин-орбитальным взаимодействием, величина которого также будет зависеть от зарядового состояния иона с переменной валентностью. В результате, в отсутствие спинового порядка гигантский магниторезистивный эффект может быть обусловлен орбитальным упорядочением электронов на орбиталях, либо сильным спин-орбитальным взаимодействием, что связано с изменением подвижности электронов в магнитном поле в парафазе. Магнитоэлектрическое

взаимодействие может быть обусловлено смещением аниона на интерфейсе Мп-Яе при орбитальном упорядочении, либо Ян-Теллеровской модой редкоземельного иона с одним электроном в 5(1 оболочке или неоднородным распределением электронов вблизи границы раздела Мп-Яе связанного с флуктуацией валентности и соответственно с вариациями магнитного момента.
Поэтому актуально определение относительной роли этих эффектов, механизмов их взаимосвязи и создание методологии целенаправленного синтеза материалов с заданными свойствами.
Предметом исследования являются закономерности изменения магнитного момента, электросопротивления и установление эффектов магнитосопротивления и магнитоемкости в твердых растворах ЯехМП|.х8 (Яе = Бгп, УЬ), х < 0.3 в зависимости от температуры и состава материала.
Объектом исследования являются поликристаллы твердых растворов 8тхМп;.х8 с концентрациями самария х = 0.01, 0.05, 0.1, 0.15, 0.2, 0.25 и УЪхМп1_х8 с концентрациями редкоземельного иона иттербия х = 0.05, 0.1, 0.15 и 0.2, выращенные из расплава с использованием индукционного нагрева и контролируемым снижением мощности на многовитковом индукторе.
Цель работы: установить магнитное состояние и переход металл-диэлектрик в сульфидах марганца при замещении марганца ионами с переменной валентностью и изучить явление магнитозависимого электронного транспорта и магнитоемкости в твердых растворах УЬхМп1.х8.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Исследовать поведение магнитного момента и восприимчивости в слабых и сильных магнитных полях в широком температурном диапазоне. Определить зависимости намагниченности от магнитного поля в полях до 9 Тл, магнитной восприимчивости в области частот 1 кГц — 100 кГц в интервале температур (4 - 300) К;
2. Исследовать транспортные, термоэлектрические свойства ЯехМп|.х8 (0 < х < 0.3) и магнитотранспортные свойства твердых растворов УЬхМпьх8 в диапазоне температур от 80 К до 1000 К.
3. Исследовать комплексную диэлектрическую проницаемость УЬхМпьх8 (0 < х < 0.3) в зависимости от температуры, магнитного поля и частоты переменного электрического поля. Установить температурные и концентрационные области с гигантским магнитоемкостным эффектом.

Рисунок 21. (Энергии оптического перехода как функции давления). Зависимость энергии оптического перехода от давления в УЬ8. Энергиям соответствуют максимумы в мнимой части диэлектрической функции.
Рисунок 22. Зависимость давления от объема в YbS. Черные кружки (силиконовое масло) и треугольники (смеси метанол-этанола) представляют работу при среднем давлении.
YbS показывает аномальное сжатие выше 150 кбар [36]. Экспериментальные данные приведены на рис. 22. В пределах одной фазы на диаграмме состояний PV «нормальные» твердые вещества могут быть представлены полуэмпирическим соотношением Birch первого порядка [37], которое описывает поведение P(V) в терминах двух параметров Во и В'0 , соответствующие объемному модулю и его производной по давлению при нормальных условиях. Предполагая В'0 = 4 для YbS ниже 80 кбар получено Во = 600 ± 30 кбар. Ниже 80 кбар нет никакого значительного конфигурационного смешивания валентных состояний в YbS, поэтому на рис. 22 пунктирной линией отмечено «двухвалентные» поведение YbS при более высоких давлениях.
Параметры для гипотетического отношения PV для «трехвалентного» YbS оцениваются по систематической тенденции среди трехвалентных RX [38, 39]. Используя Vo = 24.0 cm3/mol,