Влияние дисперсности на магнитные свойства композитов полупроводник/ферромагнетик GaSb/MnSb
- 作者: Джалолиддинзода М.1,2, Риль А.И.2, Желудкевич А.Л.3, Теплоногова М.А.2, Биктеев А.А.4, Маренкин С.Ф.2
-
隶属关系:
- Национальный исследовательский технологический университет “МИСИС”
- Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук
- Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению
- Национальный исследовательский ядерный университет “МИФИ”
- 期: 卷 60, 编号 3 (2024)
- 页面: 277-283
- 栏目: Articles
- URL: https://ogarev-online.ru/0002-337X/article/view/274370
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0002337X24030013
- EDN: https://elibrary.ru/LLRJVL
- ID: 274370
如何引用文章
全文:
详细
Изучено влияние дисперсности на магнитные свойства сплавов системы GaSb–MnSb, полученных вакуумно-ампульным методом при различных скоростях охлаждения. Методами Дебая–Шеррера, оптической и электронной микроскопии на двух составах (мол. %) – эвтектическом 59 GaSb–41 MnSb и заэвтектическом 30 GaSb–70 MnSb – показано, что с увеличением скорости кристаллизации от 0.1 до 60°С/с размеры кристаллитов MnSb уменьшаются в ⁓10 раз, при этом более интенсивное уменьшение размеров кристаллитов происходило для эвтектического состава. Размер кристаллитов MnSb определял магнитные свойства сплавов. Сплавы являлись ферромагнетиками, при этом с ростом дисперсности изменялся характер магнетосопротивления и повышалась температура Кюри. Для эвтектического состава при скорости кристаллизации 60°С/с изменялся знак магнетосопротивление, оно становилось отрицательным, что свидетельствовует о появлении спиновой поляризации в сплаве. Величина магнитного поля насыщения при этом составила 0.13 Тл. Температурная зависимость сопротивления имела линейный характер как в отсутствие, так и при наличии магнитного поля. Композиты, полученные при высоких скоростях охлаждения, обладали более высокой однородностью распределения фаз, что важно для применения в качестве прекурсоров при изготовлении спин-поляризованных гранулированных структур.
全文:
ВВЕДЕНИЕ
В качестве материалов спинтроники используют мультислои, образованные сочетанием нанослоев ферромагнетика и немагнетика [1–4]. В таких мультислоях имеют место эффекты гигантского магнетосопротивления (ГМС) и туннельного магнетосопротиваления (ТМС) [5, 6]. Мультислои получают методом молекулярной эпитаксии. Этот метод довольно ограничен и трудоемок. Поэтому большое внимание уделяется гранулированным структурам, которые рассматриваются как альтернатива мультислоев. Для гранулированных структур также характерны эффекты ГМС и ТМС [7, 8]. Гранулированные структуры могут быть получены более распространенными методами: в частности, лазерной абляцией [9], магнетронным распылением и др. [10, 11]. В качестве прекурсоров в этих методах используют композиты, состоящие из ферромагнетика и немагнитной матрицы [12], например композиты полупроводник/ферромагнетик [13]. Равномерное распределение фаз в композитах связано с их дисперсностью [14].
В качестве объекта исследования были выбраны композиты GaSb/MnSb, что обусловлено уникальными свойствами антимонидов марганца и галлия. Антимонид марганца – магнитомягкий ферромагнетик с температурой Кюри (TС) выше комнатной [15–19]. Антимонид галлия – полупроводник с высокой подвижностью и значительной величиной свободного пробега носителей заряда [20–22]. Это делает его перспективным в качестве материала матрицы гранулированной структуры. Выбор этих соединений определялся также тем, что между ними имеет место эвтектический тип взаимодействия с малой величиной взаимной растворимости [23, 24].
Целью работы было исследование влияния дисперсности на магнитные свойства и однородность распределения фаз в сплавах эвтектического и заэвтектического составов композитов GaSb/MnSb.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Синтез образцов. Сплавы системы GaSb–MnSb эвтектического и заэвтектического составов (мол. %) соответственно: 59 GaSb–41 MnSb и 30 GaSb–70 MnSb – были синтезированы непосредственным сплавлением высокочистых элементов Mn, Sb и Ga в печи электросопротивления с минимальным температурным градиентом по длине кварцевых графитизированных ампул, что предотвращало перенос легколетучей сурьмы из зоны реакции. Сплавление проводили с выдержкой 30 ч при 850°С. Ампулы откачивали до остаточного вакуума 10–2 Па и отпаивали.
Были синтезированы образцы двух составов. Для первого состава расплавы охлаждали в режиме выключенной печи со скоростью ~0.1°С/с. Во втором случае расплавы закаливали со скоростью ~60°С/с [25, 26].
Методы исследования. Идентификацию образцов проводили с помощью рентгенофазового анализа (РФА), растровой электронной микроскопии (РЭМ) и микроструктурного анализов. РФА проводили в центре коллективного пользования ИОНХ РАН на дифрактометре BRUKERD8 ADVANCE (CuKα-излучение, λ = 0.1540 нм, U = 40 кВ, I = 40 мА). Съемку осуществляли с шагом 0.005° в диапазоне углов 2θ 10°–85° с выдержкой в каждой точке в течение 2 с. Обработку рентгенограмм проводили на основе базы данных ICDD PDF-2 и программных сред Diffrac.SuiteEVA и Topas. Подготовка образцов для микроструктурного анализа включала резку слитков на шайбы, шлифовку абразивом карбида кремния с зернистостью от 20 до 1 мкм. Для оптических исследований проводили травление образцов в разбавленном растворе азотной кислоты с последующей отмывкой в ультразвуковой ванне. Микроструктуру образцов изучали с помощью оптического микроскопа EPIQUANT и растрового электронного микроскопа Tescan Amber GMH в центре коллективного пользования ИОНХ РАН. Элементный состав определяли с применением детекторов SE2, BSE и элементного картирования методом рентгеноспектрального микроанализа. Съемку проводили с нескольких областей поверхности образцов, а затем данные по составу усреднялись. Температурные зависимости намагниченности измеряли пондеромоторным методом с помощью автоматизированного магнитометра в магнитном поле 0.86 Тл в диапазоне температур ~80–650 K. Электромагнитные измерения проводили на установке, состоящей из высокоточного источника тока, мультиметра Keithley – DMM6500 с программным обеспечением и постоянного магнита. Измерения проводили, используя 4-контактный метод в магнитных полях 0–0.27 Тл. Качество электрических контактов проверяли путем измерения вольтамперных характеристик.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Синтезированные композиты были идентифицированы с помощью РФА. На рис. 1 представлены рентгенограммы образцов состава 59 мол. % GaSb–41 мол. % MnSb, полученных при разных скоростях охлаждения: I – vохл = 0.1°С/с, II – vохл = 60°С/с.
Рис. 1. Рентгенограммы образцов 59 мол. % GaSb–41 мол. % MnSb: vохл = 0.1 (I), 60°С/с (II) (а); увеличенный фрагмент рентгенограммы в области 2θ = 40° (б)
Индицируемые на рентгенограммах пики относятся к фазам GaSb (ICDD PDF-2 [01-089-4166], пр. гр. F-43/m, кубическая структура, 216) и MnSb (ICDD PDF-2 [03-065-0388], пр. гр. P63/mmc, гексагональная структура, 194). Для образца, полученного при vохл = 60°С/с, пики более размытые и обладают меньшей интенсивностью по сравнению с образцом, полученным при vохл = 0.1°С/с, что свидетельствует об уменьшении размеров кристаллитов в композитах при увеличении скорости охлаждения. Оценка размеров по формуле Дебая-Шеррера качественно совпадала с микроструктурными исследованиями, выполненными с помощью оптической и электронной микроскопии. Средние размеры кристаллитов MnSb составляли 7 мкм при vохл = 0.1°С/с и 0.6 мкм при vохл = 60 С/с. Форма основного пика антимонида марганца на рентгенограмме свидетельствовала об уменьшении размеров кристаллитов MnSb с увеличением скорости кристаллизации (рис. 1б).
Таким образом, для эвтектического композита при увеличении скорости охлаждения в ~600 раз размер кристаллитов ферромагнетика MnSb уменьшался в ~10 раз. Аналогичные результаты были получены для образцов заэвтектического состава 30 мол. % GaSb и 70 мол. % MnSb. На рис. 2 представлены рентгенограммы для образцов, полученных при vохл = 0.1°С/с (I) и 60°С/с (II). На рентгенограммах интенсивности пиков для незакаленных образцов были больше, чем для закаленных. Характерное изменение ширины и формы основного пика антимонида марганца свидетельствовало о зависимости размера кристаллитов MnSb от скорости охлаждения (рис. 2).
Рис. 2. Рентгенограммы образцов 30 мол. % GaSb–70 мол. % MnSb: vохл = 0.1 (I), 60°С/с (II) (а); увеличенный фрагмент рентгенограммы в области 2θ = 40° (б)
Следует отметить, что уменьшение размеров кристаллитов для эвтектического состава происходило интенсивнее по сравнению с завтектическим.
Микроструктурные исследования дополняли результаты РФА, а также подтверждали эвтектический характер взаимодействия в системе GaSb–MnSb и влияние скорости охлаждения расплава на размер кристаллитов антимонида марганца. На рис. 3 представлены микроструктуры образцов состава 59 мол. % GaSb–41 мол. % MnSb, полученных при разных скоростях охлаждения: vохл = 0.1°С/с (а), 60°С/с (б). В случае vохл = 0.1°С/с средний размер кристаллитов антимонида марганца составлял ~7 мкм, при vохл = 60°С/с – ~0.6 мкм.
Рис. 3. Микроструктуры образцов состава 59 мол. % GaSb–41 мол. % MnSb, полученных при vохл = 0.1 (а), 60°С/с (б)
Сравнение представленных микроструктур позволяет сделать вывод, что в случае закаленного образца распределение ферромагнитной фазы MnSb более равномерное.
Результаты микроструктурных исследований заэвтектического состава 30 мол. % GaSb–70 мол. % MnSb были аналогичными. Образцы состояли из фаз GaSb и MnSb, размеры которых уменьшались с ростом температуры охлаждения расплава. При vохл = 0.1°С/с средний размер кристаллитов антимонида марганца составлял 20 мкм, при vохл = 60°С/с – 3 мкм.
Эвтектический характер взаимодействия в системе GaSb–MnSb хорошо подтверждает рис. 4, на котором представлена микроструктура закаленного образца состава 59 мол. % GaSb–41 мол. % MnSb с элементным картированием. Такой вид микроструктуры типичен для эвтектики ламинарного типа.
Рис. 4. Микроструктура закаленного образца состава 59 мол. % GaSb–41 мол. % MnSb с картированием элементного состава
Исследование магнитных свойств композитов показало, что они являются ферромагнетиками, величина намагниченности в них возрастала с увеличением содержания MnSb. На рис. 5 и 6 представлены температурные зависимости удельной намагниченности образцов 30 мол. % GaSb–70 мол. % MnSb и 59 мол. % GaSb–41 мол. % MnSb соответственно, полученных при различных скоростях охлаждения расплава.
На всех зависимостях наблюдается температурный гистерезис удельной намагниченности, что может быть связано с перераспределением входящих в состав магнитных кластеров MnSb ионов марганца.
Известно, что температура Кюри ферромагнитного MnSb составляет порядка 600 К [15]. В композитных сплавов она ниже, в нашем случае температуру Кюри определяли по максимуму первой производной температурной зависимости намагниченности (Δσ/ΔT) в режиме как нагрева, так и охлаждения (см. вставки на рис. 5 и 6). В режиме нагрева она всегда ниже, что обусловлено стабилизацией магнитных кластеров. Для закаленных образцов температура Кюри была выше и составляла 519 К для состава 30 мол. % GaSb–70 мол. % MnSb и 544 К для 59 мол. % GaSb–41 мол. %MnSb. Величина удельной намагниченности при температуре жидкого азота для закаленных образцов составляет 70.40 и 36.00 A м2/кг соответственно, что связано с увеличением доли магнитных кластеров MnSb.
Рис. 5. Температурные зависимости величины удельной намагниченности и магнитной восприимчивости образцов составов: 30 мол % GaSb–70 мол % MnSb, а — при vохл = 0.1°C/с; б — при vохл = 60°C/с
Рис. 6. Температурные зависимости удельной намагниченности образцов состава 59 мол. % GaSb–41 мол. % MnSb при vохл = 0.1 (а), 60°С/с (б)
Магнетосопротивление было измерено при 300 К в магнитных полях до 0.27 Тл. Для образца состава 59 мол. % GaSb–41 мол. % MnSb при vохл = 60°С/с оно было отрицательным. Сопротивление падало до магнитного поля насыщения 0.13 Тл (рис. 7, кривая 1), а затем немного увеличивалось, что обусловлено воздействием силы Лоренца.
Рис. 7. Магнетосопротивление композитов при Т = 300 K: 1 – 70 мол. % MnSb, 2 – 41 мол. % MnSb
На рис. 8 представлены температурные зависимости электрического сопротивления для синтезированных образцов как в отсутствие, так и при наличии магнитного поля. С ростом температуры наблюдалось линейное увеличение сопротивления, что характерно для металлического типа проводимости. Влияние магнитного поля на сопротивление наблюдалось только для образца состава 59 мол. % GaSb–41 мол. % MnSb, полученного при vохл = 60°С/с. Появление отрицательного магнетосопротивления коррелировало с размерами включений ферромагнитной фазы.
Рис. 8. Температурные зависимости электрического сопротивления в интервале температур 85–300 К композитов 30 мол. % GaSb–70 мол. % MnSb (1, 2), 59 мол. % GaSb–41 мол. % MnSb (3, 4), полученных при vохл = 60°/с без магнитного поля (1, 3) и в магнитном поле 0.27 Тл (2, 4). 30мол % GaSb–70 мол % MnSb (1, 2); 59 мол % GaSb – 41 мол % MnSb (3, 4)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Комплексом методов физико-химического анализа на сплавах эвтектического и заэвтектического составов системы GaSb–MnSb, полученных при разных скоростях охлаждения, установлено влияние дисперсности на электромагнитные свойства. Показано, что сплавы являлись ферромагнетиками, их намагниченность возрастала с увеличением содержания MnSb, при этом температура Кюри зависела от дисперсности и увеличивалась с уменьшением размера кристаллитов.
Однородность распределения фаз в сплавах повышалась при увеличении скорости кристаллизации расплава. Для эвтектического состава, полученного при скорости 60°С/с, обнаружено наличие отрицательного магнетосопротивления. Вид кривых магнетосопротивления и наличие магнитного поля насыщения свидетельствовали о возникновении спиновой поляризации.
ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ
Исследования выполнены при финансовой поддержке гранта Российского научного фонда № 21-73-20220.
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.
作者简介
М. Джалолиддинзода
Национальный исследовательский технологический университет “МИСИС”; Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук
编辑信件的主要联系方式.
Email: muhammad.9095@mail.ru
俄罗斯联邦, Москва; Москва
А. Риль
Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук
Email: muhammad.9095@mail.ru
俄罗斯联邦, Москва
А. Желудкевич
Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению
Email: muhammad.9095@mail.ru
白俄罗斯, Минск
М. Теплоногова
Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук
Email: muhammad.9095@mail.ru
俄罗斯联邦, Москва
А. Биктеев
Национальный исследовательский ядерный университет “МИФИ”
Email: muhammad.9095@mail.ru
俄罗斯联邦, Москва
С. Маренкин
Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук
Email: muhammad.9095@mail.ru
俄罗斯联邦, Москва
参考
- Iqbal M.Z., Qureshi N.A., Hussain G. Recent Advancements in 2D-Materials Interface Based Magnetic Junctions for Spintronics // J. Magn. Magn. Mater. 2018. V. 457. P. 110–125. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2018.02.084
- Van D. P., Liu Z., Roy W.V., Motsnyi V.F., Sawicki M., Borghs G., Boeck D. J. Very High Spin Polarization in GaAs by Injection from A (Ga, Mn) As Zener Diode // Appl. Phys. Lett. 2004. V. 84. P. 3495–3497. https://doi.org/10.1063/1.1738515
- Ферт А. Происхождение, развитие и перспективы спинтроники // Успехи физ. наук. 2008. Т. 178. № 12. С. 1336–1348. https://doi.org/10.3367/UFNr.0178.200812f.1336
- Огнев А.В., Самардак А.С., Воробьев Ю.Д., Чеботкевич Л.А. Магнитная анизотропия Co/Cu/Co пленок с косвенной обменной связью // Физика твердого тела. 2004. Т. 46. № 6. С. 1054–1057.
- Baibich M. N., Broto J. M., Fert A., Nguyen Van Dau F., Petroff F., Etienne P., Creuzet G., Friederich A., Chazelas J. Giant Magnetoresistance of (001) Fe/(001) Cr Magnetic Superlattices // Phys. Rev. Lett. 1988. V. 61. P. 2472–2475. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.61.2472
- Moodera J.S., Lisa R. Kinder, Terrilyn M. Wong, Meservey R. Large Magnetoresistance at Room Temperature in Ferromagnetic Thin Film Tunnel Junctions // Phys. Rev. Lett. 1995. V. 74. P. 3273–3276. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.74.3273
- Wang С., Cao Y., Kobayashi N., Ohnuma S., Masumoto H. Structure and Tunneling Magneto-Dielectric Properties of Co–SrF2 Nano Granular Thin Films // AIP Adv. 2021. V. 11. P. 085224. 1–6. https://doi.org/10.1063/5.0058707
- Furubayashi T., Nakatani I. Giant Magnetoresistance in Granular Fe MgF2 Films // J. Appl. Phys. 1996. V. 79. P. 6258–6260. https://doi.org/10.1063/1.362025
- Маренкин С.Ф., Новодворский О.А., Баранов В.В., Трухан В.М., Шёлковая Т.В., Струц А.М. Технология получения, электрические и Магнитные свойства пленок эвтектики системы GaSb–MnSb // Докл. Белорусского гос. ун-та информатики и радиоэлектроники (Доклады “БГУИР”). 2016. № 5 (99). С. 5–10.
- Кочура А.В., Захвалинский В.С., Аунг З.Х., Риль А.И., Пилюк Е.А., Кузьменко А.П., Аронзон Б.А., Маренкин С. Ф. Синтез магнетронным распылением и структура тонких пленок арсенида кадмия // Неорган. материалы. 2019. Т. 55. № 9. С. 933–940. https://doi.org 10.1134/S0002337X19090057
- Fedorchenko I.V., Kushkov A.R., Gaev D.S., Rabinovich O.I., Marenkin S.F., Didenko S.I., Legotin S.A., Orlova M.N., Krasnov A.A. Growth Method for AIIIBV and AIVBVI Heterostructures // J. Cryst. Growth. 2018. V. 483. P. 245–250. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2017.12.013
- Маренкин С.Ф., Новодворский О.А., Шорохова А.В., Давыдов А.Б., Аронзон Б.А., Кочура А.В., Федорченко И.В., Храмова О.Д., Тимофеев А.В. Cинтез магнитных пленок состава эвтектики системы GaSb–MnSb методом импульсного лазерного осаждения // Неорган. материалы. 2014. Т. 50. № 9. C. 973–978. https://doi.org 10.7868/S0002337X14090085
- Маренкин С.Ф., Изотов А.Д., Федорченко И.В., Новоторцев В.М. Синтез магнитогранулированных структур в системах полупроводник–ферромагнетик // Журн. неорган. химии. 2015. Т. 60. № 3. С. 343–348. https://doi.org 10.7868/S0044457X15030149
- Кузнецов Н.Т., Чудинова Н.Н., Розанов И.А. Анализ и синтез, гармония и контрапункт // Вестн. РАН. 2004. Т. 74. № 5. С. 460–476.
- Teramoto I., Van Run A.M.J.G. The Existence Region and the Magnetic and Electrical Properties of MnSb // J. Phys. Chem. Solids. 1968. V. 29. № 2. P. 347–352. https://doi.org/10.1016/0022-3697(68)90080-2
- Allen J.W., Mikkelsen J.C. Optical Properties of CrSb, MnSb, NiSb, and NiAs // Phys. Rev. B. 1977. V. 15. P. 2952–2960. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.15.2952
- Aldous J.D., Burrows C.W., Sánchez A.M., Beanland R., Maskery I., Bradley M.K., Dias M.S., Staunton J.B., Bell G.R. Cubic MnSb: Epitaxial Growth of a Predicted Room Temperature Half-Metal // Phys. Rev. B. 2012. V. 85. P. 060403(R). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.85.060403
- Coehoorn R., Haas C., de Groot R.A. Electronic Structure of MnSb // Phys. Rev. B. 1985. V. 31. P. 1980–1996. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.31.1980
- Han G.C., Ong C.K., Liew T.Y. F. Magnetic and Magneto-Optical Properties of Mnsb Films on Various Substrates // J. Magn. Magn. Mater. 1999. V. 192(2). P. 233–237. https://doi.org/10.1016/S0304-8853(98)00545-9
- Лазарев В.Б., Шевченко В.Я., Гинберг Я.Х., Соболев В.В. Полупроводниковые соединения группы AIIBV. М.: Наука, 1978. 256 с.
- Akahane K., Yamamoto N., Gozu S., Ohtani N. Heteroepitaxial Growth of GaSb on Si (001) Substrates // J. Cryst. Growth. 2004. V. 264. P. 21–25. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2003.12.041
- Gobeli G.W., Allen F.G. Photoelectric Properties of Cleaved GaAs, GaSb, InAs, and InSb Surfaces, Comparison with Si and Ge // Phys. Rev. A. 1965. V. 137. Р. 245–254. https://doi.org/10.1103/PhysRev.137.A245
- Маренкин С.Ф., Трухан В.М., Труханов С.В., Федорченко И.В., Новоторцев В.М. Фазовые равновесия, электрические и магнитные свойства эвтектики системы GaSb–MnSb // Журн. неорган. химии. 2013. Т. 58. № 11. С. 1478–1483. https://doi.org 10.7868/S0044457X13110135
- Пашкова О.Н., Изотов А.Д., Саныгин В.П., Филатов А.В. Ферромагнетизм сплава GaSb (2% Mn) // Журн. неорган. химии. 2014. Т. 59. № 11. С. 1570–1573. https://doi.org 10.7868/S0044457X1411018X
- Маренкин С.Ф., Чернавский П.А., Риль А.И., Панкина Г.В., Федорченко И.В., Козлов В.В. Влияние дисперсности на калориметрические и магнитные свойства ферромагнитной фазы в композиционном сплаве эвтектического состава системы ZnSnAs2–MnAs // Журн. неорган. химии. 2019. Т. 64 № 12. С. 1258–1262. https://doi.org 10.1134/S0044457X19120080
- Глезер А.М., Пермякова И.Е. Нанокристаллы, закаленные из расплава. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2012. 360 с.
补充文件
