Взаимосвязь магнитных, электрических и упругих свойств в манганитах и халькопиритах

Физический факультет Московский государственный университетимени М.В. ЛомоносоваНа правах рукописиЗащиринский Денис МихайловичВЗАИМОСВЯЗЬ МАГНИТНЫХ, ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИУПРУГИХ СВОЙСТВ В МАНГАНИТАХ И ХАЛЬКОПИРИТАХСпециальность 01.04.11 – физика магнитных явленийАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 20111Работа выполнена на кафедре общей физики и конденсированного состоянияфизическом факультете в Московском государственном университете имени М.В.ЛомоносоваНаучный руководитель:докторфизико-математическихпрофессор Королева Людмила Ивановнанаук,Официальные оппоненты:докторфизико-математическихнаук,профессор Прудников Валерий Николаевичкандидатфизико-математическихнаук,старший научный сотрудник Кугель КлиментИльичВедущая организация:Институт общей неорганической химии имениН.С.

Курнакова РАНЗащита состоится «16» июня 2011 г. в ____часов на заседании ДиссертационногоСовета Д.501.001.70 при Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова по адресу: 119992, ГСП-2, Москва, Ленинские горы, д.1, стр.35,конференц-зал Центра коллективного пользования физического факультета МГУимени М.В. Ломоносова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физического факультетаМосковского государственного университета имени М.В. ЛомоносоваАвтореферат разослан «___»________ 2011 г.Ученый секретарь Диссертационного Совета Д.501.001.70доктор физико-математических наук,профессор2Г.С.

ПлотниковОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность проблемы. Вот уже многие годы у исследователей всего мира неугасает интерес к магнитным полупроводникам (МП). Современное развитие техникивыдвигает все новые и более жесткие требования к свойствам используемыхматериалов. В настоящее время все производители оборудования стремятся сделатьсвои продукт компактным, надежным, энергоэффективным и экономичным.

Этодостигается в частности, тогда, когда, один и тот же элемент в микросхеме можетвыполнять несколько различных операций. Для этих целей удобны МП материалы,обладающие одновременно магнитными и полупроводниковыми свойствами.Начиная с 90-х годов прошлого века активно развивается новое направление –спинтроника, в которой вместо заряда используется спин электрона, что значительновыгоднее. Эти исследования важны для создания одноэлектронных логическихструктур и спин-информационных систем для информатики. В твердотельнойэлектронике спиновый токоперенос открывает новую возможность с помощьюмагнитного поля управлять характеристиками различных устройств: диоды, триоды ит.д.

Для создания поляризованного по спину тока используются разбавленные МПтипа АIIIВV:Mn и АIIВIVСV2:Mn. Для спинтроники очень важно, чтобы эти материалыимели точки Кюри выше комнатной. Исследованию и поиску таких материаловпосвящена третья глава диссертации.

Это актуальная и важная задача спинтроники.В последние десятилетия активно исследуются манганиты со структуройперовскита из-за колоссального магнитосопротивления (КМС), которое наблюдалосьпри комнатной температуре в части составов. Этот эффект позволяет использоватьданные материалы в различных сенсорных устройствах. Недавно обнаружено другое,не менее важное свойство манганитов – гигантская объемная магнитострикция(ГОМ), достигающая 10-4 – 10-3 , т.е. на 2 – 3 порядка больше, чем в никеле и сплавах,применяемых в магнитострикционных устройствах.В последнее время было обнаружено, что некоторые составы манганитовобладают магнитокалорическим эффектом (МКЭ). Большое значение МКЭзаключается в том, что открывается возможность создания охлаждающих устройствна основе твердотельных хладагентов. Эти вещества превосходят газовые хладагентыпо таким параметрам, как удельный объём и экологическая безопасность.

Поэтомуизучение МКЭ в манганитах является актуальной задачей. В настоящее время почтиотсутствуют работы по прямому измерению МКЭ в манганитах. В большинстве работМКЭ рассчитывается из измерений намагниченности и теплоёмкости. Такие расчётыв ряде случаев могут отличаться от экспериментальных результатов по МКЭ,поскольку в манганитах из-за сильного s-d обмена существует магнитно-двухфазноеферро-антиферромагнитное состояние.

В диссертации изучено влияние магнитнонеоднородного состояния на МКЭ.Из сказанного выше следует, что тема диссертации «Взаимосвязь магнитных,электрических и упругих свойств в манганитах и халькопиритах» весьма актуальна.Цель работы. В данной диссертации была поставлена задача: провестиисследования магнитных и электрических свойства новых соединений ZnSiAs2:Mn,ZnGeAs2:Mn и CdGeAs2:Mn со структурой халькопирита, с целью поискавысокотемпературных ферромагнетиков для спинтроники и выяснение природыферромагнетизма в них.Природа гигантской магнитострикции, открытой в манганитах, не былавыяснена.

Целью данной диссертационной работы являлось выяснение связи ГОМ и3КМС, а также связь ГОМ с размягченностью кристаллической решетки и сильным s-dобменом в манганитах.До настоящей работы была не ясна роль акцепторного и донорного легированияв манганитах. В противоположность МП монохалькогенидам европия ихалькогенидным шпинелям, в которых КМС связано с донорным легированием, а вманганитах наоборот, ГОМ и КМС связаны с акцепторным легированием. Цельюданной диссертации было выявление роли донорного легирования на магнитные,магнитоупругие, магнитоэлектрические и электрические свойства составов La1xSrxMnO3-δ с x = 0, 0.1, 0.2, 0.4 и δ = 0 – 0.2, которые одновременно содержатакцепторные (ионы Sr2+) и донорные (вакансии О) примеси.Известно, что легированные манганиты находятся в магнитнонеоднородномсостоянии, т.е.

содержат ферромагнитные (ФМ) кластеры ферронного типа,антиферромагнитные (АФМ) со слоистым А-типом структуры и, в некоторыхслучаях, АФМ кластеры СЕ-типа с зарядовым упорядоченьем. В диссертации былапоставлена задача исследовать, как магнитная неоднофазность влияет намагнитокалорический эффект в этих соединениях, так как этот эффект оченьчувствителен к типу магнитного порядка.Научная новизна результатов, полученных в диссертации:1. Обнаружены новые высокотемпературные материалы спинтроникиZnSiAs2:Mn, ZnGeAs2:Mn и CdGeAs2:Mn со структурой халькопирита.2. В монокристаллах La1-xAxMnO3 (A = Ba, Ca) в районе температуры Кюрибыла обнаружена гигантская объемная магнитострикция порядка ~ 10-4 иустановлено, что в этих соединения она сопровождается колоссальныммагнитосопротивлением.3.

Исследовано влияние дефицита кислорода на магнитные и электрическиесвойства составов La1-xSrxMnO3-δ с x = 0, 0.1, 0.2, 0.4 и δ = 0 – 0.2.4. Было изучено влияние магнитной неоднофазности на магнитокалорическийэффект в соединениях Sm0.55Sr0.45MnO3, полученных при разных условиях.Научная и практическая значимость работы. Научная значимостьдиссертации определяется тем, что полученные в настоящей работе результатыспособствуют развитию фундаментальных знаний о физических свойствах магнитныхполупроводников.

Результаты исследований могут быть использованы дляразработки и создания новых устройств, которые используют спиновый ток игигантскую объемную магнитострикцию.На защиту выносятся следующие положения:• Результаты исследований намагниченности и электрических свойствсоединений ZnSiAs2:Mn, ZnGeAs2:Mn и CdGeAs2:Mn со структуройхалькопирита, которые имеют сложное поведение намагниченности,характерно для неоднородных магнетиков, при этом температуры Кюриферромагнитной фазы в этих соединениях выше комнатной.• Результаты экмпериментальных исследований магнитострикции имагнитосопротивления в монокристаллах La1-xAxMnO3 (A = Ba, Ca).Объемной магнитострикции в этих материалах достигает гигантскойвеличины и сопровождается колоссальным магнитосопротивлением,которые имеют одинаковую природу, а именно, обусловленымагнитнодвухфазнымферро-антиферромагнитнымсостоянием,вызванным сильным s-d обменом.4• В составе La0.7Ва0.3MnO3 при комнатной температуре ГОМ достигает 4 ×10-4 и сопровождается магнитосопротивлением, равным 22.7 % вмагнитном поле 8.2 кЭ, что важно для практического применения.• Результаты экспериментальных исследований влияние дефицитакислорода на магнитные, электрические и упругие свойства в системеLa1-xSrxMnO3-δ с x = 0, 0.1, 0.2, 0.4 и δ = 0 – 0.2.

Дефицит кислородаприводит к появлению суперпарамагнитных кластеров, понижениютемпературы Кюри, возрастанию удельного электросопротивления,исчезновению КМС и ГОМ, присущие системе La1-хSrхMnO3.• Результаты исследований намагниченности и магнитокалорическогоэффекта в составах Sm0.55Sr0.45MnO3 полученных при различныхусловиях, которые содержат ферромагнитые, антиферромагитные Атипа и СЕ-типа зарядово-упорядоченные кластеры.

Показано, чтостандартные термодинамические соотношения для расчета МКЭ изизмерений намагниченности дают завышенные значения эффекта, таккак не учитывают вклад антиферромагнитной фазы в суммарный МКЭ.Апробация работы. Результаты работы докладывались на конференциях«Актуальные проблемы физики твердого тела», Минск, Беларусь 2005, 2009; ХХ иХХIмеждународнойшколе-семинар«Новыемагнитныематериалымикроэлектроники», Москва, Россия 2006, 2009; Joint European Magnetic Symposia(JEMS) 2006, 2008, 2010; International Conference on Magnetic Materials (ICMM)Kolkata, India 2007; International Conference on Nanoscale Magnetism (ICNM) Istanbul,Turkey 2007; VIII Latin American Workshop on Magnetism Magnetic Materials and TheirApplication (LAWM), Rio de Janeiro, Brazil 2007; The fourth International School andConference on Spintronics and Quantum Information Technology (Spintech IV), Maui,Hawaii, USA 2007; Seeheim conference on magnetism.