Янушкевич К.И. Твердые растворы монохалькогенидов 3d-металлов

Подождите немного. Документ загружается.

Из рис.2.7.4.b следует, что магнитный гистерезис составов х~0,27 и х~0,29

заключен в интервале сравнительно небольших магнитных полей Н = ±(3-5) кЭ.

Но при этом полного магнитного насыщения не наступает. Удельная

намагниченность медленно растет с увеличением магнитного поля до значения,

которое позволил эксперимент (30 кЭ). Подобная ситуация наблюдается,

например, в ферритах-гранатах гадолиния и связана с проявляющейся в

сильных магнитных полях положительной составляющей магнитострикции [3].

В широкой температурной области проведены исследования параметров

элементарной ячейки близких по составу образцов Fe

0,29

0,71

S, Fe

0,30

0,7

S, но

заметно различающихся магнитными свойствами.

На рис. 2.7.5 представлена температурная зависимость параметра а

кристаллической решетки твердого раствора Fe

0,29

0,71

S по результатам

рентгенографического исследования в Сu K

-излучении. Из зависимости

а = f(T) рис.2.7.5. следует, что в области Т~125К элементарная ячейка

претерпевает заметную деформацию, подобную наблюдаемой в моносульфиде

марганца при 150К (рис.2.1.2.) [45, 123]. С понижением температуры (300 – 140

К) параметр а заметно уменьшается. В интервале 140-120 К изменение менее

заметно. Ниже значения температуры 120К величина параметра а почти

неизменна. На рис. 2.7.6. приведены результаты нейтронографических

исследований этого же состава в интервале температур 4,2 – 270 К на

дифрактометре DMC (длина волны нейтронов = 2.559Å.) [45] .

Рис.2.7.5. Температурная зависимость параметра а элементарной ячейки

0,29

0,71

S (результат рентгенографических исследований) [123].

На рис. 2.7.7. приведена температурная зависимость параметра а для

состава Fe

0,3

0,7

S [45]. При сопоставлении зависимостей а=f(T) рис. 2.7.6. и

рис.2.7.7. очевидно, что небольшое различие в соотношении катионов Fe и Mn

в исследуемых образцах существенно проявляется на величине параметров

элементарной ячейки, особенно в области низких температур.

Нейтронографические исследования температурных зависимостей чисто

магнитных рефлексов и рефлексов кристаллической структуры, угловые

положения которых совпадали с рефлексами магнитной структуры показали,

что магнитные свойства состава Fe

0,3

0,7

S определяются сосуществованием

двух магнитных фаз: антиферромагнитной с температурой Нееля Т

230К и

ферромагнитной с температурой Кюри Т

750К (рис.2.7.8.). В области

температур сосуществования двух фаз антиферромагнитной и ферромагнитной

и наблюдается эффект проявления отрицательного магнитосопротивления.

Такими же свойствами, только более резко выраженными по изменениям в

кристаллической ячейке, по изменениям в концентрации носителей заряда, их

подвижности и по проявлению эффекта магнитосопротивления обладает состав

0,29

0,71

S .

Рис. 2.7.6. Температурная зависимость параметров элементарных ячеек Fe

0.29

0.71

а) магнитной (а

=2a

кр)

; b) кристаллической (дифракция нейтронов) [45, 124].

Рис. 2.7.7. Температурная зависимость параметра а элементарной ячейки

0,3

0,7

S (дифракция нейтронов) [45, 124].

Рис.2.7.8. Температурные зависимости магнитных вкладов в относительную

намагниченность Fe

0,3

0,7

S по результатам нейтронографических

исследований [45,124].

2.7.2. Электросопротивление твердых растворов системы Fe

1-X

Результаты исследования в интервале 77 -300 К зависимостей удельного

электросопротивления твердых растворов Fe

1-Х

S в нулевом магнитном поле

представлены на рис.2.7.9.

Рис.2.7.9. Температурные зависимости удельного электросопротивления твердых

растворов Fe

1-Х

S при отсутствии воздействий внешним магнитным полем: 1 – х=0;

2 – х=0,15; 3 – х=0,29; 4 – х=0,3; 5 – х=0,4 [13].

Из зависимостей lg ρ = f(10

/T) рис.2.7.9. следует, что с ростом

концентрации катионного замещения от 0 до 0.4 наблюдается заметное

уменьшение величины удельного электросопротивления. Изменение угла

наклона прямолинейных участков зависимостей lg ρ =f(10

/ T) свидетельствует

об уменьшении энергии активации электронов проводимости от 0,3 эВ для

-MnS в парамагнитной области до 0,03 эВ для х~0.4. Подобное поведение

электрических свойств типично для неупорядоченных систем с

концентрационным переходом металл – диэлектрик типа Андерсона [126].

Зависимости удельного электросопротивления сульфидов Fe

1-Х

(0< х 0.5) от концентрации элемента замещения Fe в нулевом магнитном поле

при температурах 77 К, 160 К, 300 К представлены на рис.2.7.10. Из

зависимостей следует, что концентрационный переход типа металл-диэлектрик

реализуется при х=0.4, при этом величина удельного электросопротивления

уменьшается практически на восемь порядков в сравнении с составом х=0.25.

Рис.2.7.10. Зависимости lg ρ = f(х) составов системы Fe

1-X

1 - 77К; 2 - 160К; 3 - 300К [13].

2.7.3. Особенности эффекта Холла в образцах твердых растворов

1-X

На образцах моносульфида -MnS измерения эффекта Холла

осуществлены только в области комнатных температур и выше. Измерения

показали, что моносульфид марганца является полупроводником р-типа. При

435К подвижность носителей заряда = 0.065см

-1

, концентрация

носителей n = 10

см

-3

[11, 127].

На рис.2.7.11. представлены температурные зависимости постоянной

Холла (а), концентрации носителей заряда и подвижности (b), измеренные в

магнитном поле 10 кЭ для состава Fe

0,25

0,75

S. Постоянная Холла R

области температур 100 300К имеет положительный знак, что свидетельствует

о р-типе проводимости, аналогично -MnS.

При катионном замещении подвижность носителей возрастает на

порядок относительно -MnS и составляет 0.66 см

∙В

-1

∙c

-1

при температурах

~300 К. Концентрация носителей заряда уменьшается от 10

см

-3

для -MnS

до 10

см

-3

для образца х=0.25. Из зависимостей рис.2.7.11. следует, что ниже

температуры структурного и магнитного превращения Т

150К концентрация

носителей заряда р-типа заметно уменьшается, а их подвижность

увеличивается.

Рис.2.7.11. Температурные зависимости постоянной Холла (а), концентрации

носителей заряда и подвижности (b) состава х=0.25 системы Fe

1-X

S в

магнитном поле Н=10 кЭ [127].

На рис.2.7.12. представлены температурные зависимости постоянной

Холла (а), подвижности (b) и концентрации носителей заряда (с) для состава

х 0.29 [13]. В магнитных полях 5 и 10 кЭ образец также проявляет свойства

полупроводника р-типа. В магнитном поле Н=15 кЭ в области температур

Т<180K постоянная Холла меняет знак на отрицательный, и основными

носителями заряда в этой области температур становятся электроны. Величина

подвижности носителей заряда образца с содержанием железа х 0.29 составляет

5∙10

см

∙В

-1

∙c

-1

и на пять порядков превышает значение подвижности образцов

-MnS. При понижении температуры подвижность носителей р-типа в образце

Рис.2.7.12. Температурные зависимости постоянной Холла (а), подвижности (b)

и концентрации носителей заряда (c) образца х=0.29 системы Fe

1-X

S: 1.

Н=5кЭ; 2. Н=10кЭ; 3. Н=15кЭ [13].

возрастает, достигая максимума при Т~120К ( ~10

см

∙В

-1

∙c

-1

). При увеличении

магнитного поля до 10 кЭ подвижность носителей р-типа уменьшается и слабо

зависит от температуры (рис.2.7.12.b). Концентрация носителей заряда р-типа

для х=0.29 на порядок выше, чем у состава х=0.25. При уменьшении

температуры в магнитных полях 5 и 10 кЭ концентрация носителей заряда

уменьшается, а при увеличении магнитного поля она увеличивается

(рис.2.7.12.с).

На рис.2.7.13. представлены результаты изучения эффекта Холла на

образце состава Fe

0,3

0,7

S. Относительно небольшое увеличение содержания

Рис.2.7.13. Температурные зависимости: постоянной Холла (а) 1. Н=5кЭ;

2. Н=10кЭ; 3. Н=15кЭ; концентрации носителей заряда (b) Н=5 кЭ;

0,3

0,7

S [128]

замещающего элемента Fe в системе Fe

1-X

S приводит к заметным

изменениям постоянной Холла и концентрации носителей заряда. Основными

носителями заряда в образце состава х=0.3 становятся электроны.

Температурная зависимость концентрации носителей заряда n = f(T) в

магнитных полях 5 и 10 кЭ имеет скачок (рис.2.7.13.b) аналогично зависимости

n = f(T) для состава с х=0.25. Температура, при которой происходит скачок в

зависимости n = f(T), сдвигается в область высоких температур с ростом поля

(рис.2.7.13.с). При увеличении магнитного поля до 15 кЭ у образца состава

0,3

0,7

S концентрация носителей заряда возрастает до n 10

см

-3

подвижность имеет соответственно величину 10

см

∙В

-1

∙c

-1

и слабо зависит

от температуры.

2.7.4. Магнитосопротивление образцов системы Fe

1-X

На рис. 2.7.14. представлены результаты изучения температурных

зависимостей магнитосопротивления в магнитном поле 10 кЭ и интервале

Рис. 2.7.14. Зависимости

=f(T) в магнитном поле Н=10 кЭ образцов системы

1-X

S: a–Fe

0,25

0,75

S; b –Fe

0,29

0,71

S; c–Fe

0,3

0,7

S; d–Fe

0,4

0,6

S [128].

температур 77 300 К поликристаллических образцов твердых растворов

1-X

S, содержащих 25, 29, 30 и 40 мол.% катионов Fe. Из представленных

зависимостей следует, что состав Fe

0,25

0,75

S обладает отрицательным

магнитосопротивлением

= –1% в поле Н = 10 кЭ вблизи

антиферромагнитного перехода (Т

220K) и положительным

магнитосопротивлением величиной

= 4% в области температуры

наибольшей деформации кристаллической ячейки 125 К [128].

Максимальным значением величины

в поле 10 кЭ обладает состав

0,29

0,71

S [13]. Величина отрицательного магнитосопротивления,

наблюдаемого в магнитном поле Н = 10 кЭ при 160К в этом сульфиде,

составляет

= – 83% (рис.2.7.14b.) Положительное магнитосопротивление

= 50% (рис. 2.7.14.b) имеет место при существенных деформациях

кристаллической ячейки (Т 100 К). При дальнейшем понижении температуры

эффект положительного магнитосопротивления уменьшается и вблизи

температуры жидкого азота

вновь принимает отрицательные значения.

Температурная зависимость магнитосопротивления для состава Fe

0,29

0,71

подобна температурной зависимости магнитосопротивления для плоскости

(111) в монокристалле -MnS [55, 127]. При увеличении магнитного поля,

воздействующего на образец Fe

0,29

0,71

S, максимум положительного

магнитосопротивления смещается в область отрицательных значений

. На

рисунке 2.7.15 показана температурная зависимость магнитосопротивления для

состава концентрации х= 0.29 в магнитном поле 30 кЭ. Величина эффекта при

50К составляет - 450% [129].

Рис. 2.7.15. Температурная зависимость магнитосопротивления Fe

0.29

0.71

S в

магнитном поле 30 кЭ [128].