Диссертация (Исследование магнитооптических свойств Ni-Mn-содержащих сплавов Гейслера и разбавленных магнитных полупроводников GaMnAs(Sb) и TiO2-V), страница 10

Поликристаллические образцыбыли получены путём горячей прокатки при температуре 1273 К ипоследующего отжига при той же температуре в течение 168 ч. Данныерентгеновской дифракции при комнатной температуре показали, чтокристалл Fe48Mn24Ga28 имеет кубическую структуру [129].74Магнитооптическиесвойствалентнестехиометрических сплавовГейслера Ni-Mn-In были изучены для серии образцов с незначительнымивариациями концентраций компонентов.

Образцы были получены вУниверситете Овьедо (Испания) методом быстрой кристаллизации. Однако,магнитооптический отклик был обнаружен только на ленте составаNi43,7Mn43,6In12,7. Намагниченность этой ленты была на два порядка выше, чему остальных лент данной серии (см. рис. 4.12) [130].Лента Ni43,7Mn43,6In12,7 была получена из мишени номинального составаNi47Mn41In12 путём быстрой кристаллизации. Первоначально мишень былаполучена методом дуговой плавки из элементов Ni, Mn и In высокой чистоты(> 99,98%) и многократной переплавки для обеспечения однородностихимического состава. После этого мишень была подвергнута отжигу ввысоком вакууме в течение 24 ч при температуре 1173 К, а потом охлажденадо комнатной температуры.

Затем сплав плавился в индукционномкварцевом тигле и осаждался на вращающемся медном колесе со скоростью48 м/с. Процесс формования из расплава проходил в атмосфере аргона.Полученная лента имеет толщину 10 мкм, ширину 2–3 мм и длину 3–4 см.Составполученнойэнергодисперсионнойлентырентгеновскойбылустановленспектроскопии,спомощьюпроведеннойдляразличных фрагментов в сечении и на поверхности ленты.

Средний составопределяется формулой Ni43,7Mn43,6In12,7. Рентгеновские спектры показалисходство среднего состава в различных фрагментах ленты [130].Тонкая плёнка состава Ni50Mn35In15 толщиной 200 нм изготавливалась вБалтийском Федеральном Университете им. И. Канта (Калининград) методомимпульсного лазерного осаждения (ИЛО) на подложке MgO, имеющейпараметр решётки близкий к изучаемому сплаву. Первоначально былиизготовлены мишени, созданные методом дуговой плавки в атмосфереаргона из высокочистых материалов (Ni, Mn: 99,9%; In: 99,9995%).Изготовленная мишень отжигалась 24 ч в вакууме (10-2 Па) при температуре751123 К. Фазовый состав и кристаллическая структура полученной мишениопределялись методом порошковой рентгеновской дифракции [131].Подложка для плёнки Ni50Mn35In15 предварительно нагревалась ввакууме до температуры 423 К, затем в камеру осуществлялся напусккислорода до давления 2,67 Па и подложки отжигались при 873 К в течение 5мин, а затем охлаждались в атмосфере кислорода.

Для напыленияиспользовался твердотельный Nd:YAG-лазер, работающий на длине волны532 нм. Энергия накачки лазера составляла 15,8 Дж, энергия импульса 80мДж, частота генерации 50 Гц. Для напыления пленки толщиной 200 нмпотребовалось 400 000 импульсов. После напыления пленка Ni50Mn35In15отжигалась в вакууме при температуре 598 К [131].Теперь перейдём к четверным сплавам Гейслера, где помимо трёхосновных элементов присутствует в небольшом количестве четвёртый.Монокристаллы Ni45Mn36,7In13,3Co5 были изготовлены в БаскскойНаучнойОрганизации(Бильбао,Испания).ВмонокристаллахNi45Mn36,7In13,3Co5 в качестве четвёртого элемента присутствует кобальтконцентрацией 5 ат.

%. Монокристаллические образцы Ni45Mn36,7In13,3Co5выращивались методом Чохральского. Метод заключается в вытягиваниивверх от свободной поверхности большого объёма расплава с инициациейначала кристаллизации с помощью внесения на свободную поверхностьрасплавазатравочногокристаллазаданнойструктурыикристаллографической ориентации [132].Через 24 ч после гомогенизации при температуре 1170 К в условияхвакуума, один монокристалл Ni45Mn36,7In13,3Co5 закалялся в холодной воде(WQ), а другой (SC) после закалки отжигался при 770 К в течение 20 мин, азатеммедленноохлаждалсядляобеспеченияполногоатомногоупорядочения (подробнее см.

в [133]). Структурные свойства былипроверены с помощью рентгеновской дифракции и энергодисперсионнойрентгеновской спектроскопии. Результат рентгеновской спектроскопии76показал одинаковый состав образцов в пределах точности метода, котораясоставляет менее 0,1 %.ТонкиеплёнкиNi52Mn34In12Si2(Ni53Mn34In11Si2)изготовленывУниверситете Небраски (Линкольн, США). В тонких плёнках Ni52Mn34In12Si2(Ni53Mn34In11Si2) обычный состав Ni-Mn-In дополнен двумя процентамикремния.

Была использована серия из нескольких образцов, полученныхметодом магнетронного распыления:1. Образец Ni52Mn34In12Si2 (мартенситный переход смещён в область ~400 К) представляет собой смесь мартенситной и аустенитной фаз в широкомдиапазоне температур.2. Образец Ni52Mn34In12Si2 (мартенситный переход смещён в областьнизких температур) находится в аустенитной фазе в широком диапазонетемператур.3.

Образец Ni53Mn34In11Si2, претерпевающий мартенситный переход приизменении температуры.Толщина всех плёнок составляет 75 нм. Образцы этой серии былипроизведены путём магнетронного распыления из четырёх мишеней наподложку MgO. После этого образцы отжигались.

Причём образец,находящийся в аустенитной фазе, отжигался при более высокой температуреи в течение более длительного времени. Тем самым удалось добитьсяразличия кристаллических структур образцов. Состав образцов определялиэнергодисперсионной рентгеновской спектроскопией с точностью 3%.Проверку наличия мартенситной или аустенитной фазы в образцахопределяли с помощью рентгеновской дифракции. Кроме того, наповерхности образцов был нанесён защитный слой никеля толщиной 2 нм,который окислился с образованием пассивного слоя оксида никеля NiO.77§ 4.2.

Полные сплавы Гейслера4.2.1. Тонкая плёнка Ni49,5Mn28Ga22,5Рассмотрение результатов начнём с базового образца Ni49,5Mn28Ga22,5.Исследование температурной зависимости намагниченности для этой плёнкипоказало [9], что температура Кюри ТС = 370 К и что в ней происходитмагнито-структурный(мартенситный)переходизферромагнитнойаустенитной фазы в ферромагнитную мартенситную при ТM = 316 К, чтохорошо согласуется с параметрами мартенситного перехода в монокристаллеNi2MnGa [24]. Температурная зависимость намагниченности приведена нарис. 4.1.На рис. 4.2 приведены температурные зависимости ЭЭК для тонкойплёнки Ni49,5Mn28Ga22,5, полученные в магнитных полях напряжённостью 250Э (рис.

4.2а) и 3 кЭ (рис. 4.2б). Значение температуры Кюри ТС,определённое по резкому уменьшению величины ЭЭК, составило около 365К,чтосогласуетсясрезультатамиизмеренийнамагниченности,представленными в работе [9] (рис. 4.1).Рис. 4.1. Температурная зависимость намагниченности тонкой плёнкиNi2MnGa в поле напряжённостью 50 Э [9].78a)1,0Ni49,5Mn28Ga22,5H = 250 OeE = 3,06 eV0,8TKE, 10-30,60,40,20,0290300310320330340350360370380TKE (T) / TKE (300 K)T, K1,2Ni49,5Mn28Ga22,51,0H = 3 kOeE = 2,94 eV0,80,60,40,20,0100150200250300350400T, KРис.

4.2. Температурные зависимости ЭЭК (transversal Kerr effect, TKE)тонкой плёнки Ni49,5Mn28Ga22,5 в поле напряжённостью 250 Э (а) и в поленапряжённостью 3 кЭ (б). Величины ЭЭК в поле 3 кЭ нормированы навеличину при Т = 300 К.791,0TKE (H) / TKE (Hmax)0,8Ni49,5Mn28Ga22,50,6T = 335 KT = 300 K0,4E = 3,06 eV0,20,00,00,51,01,5H, kOe2,02,53,0Рис.

4.3. Полевые зависимости ЭЭК тонкой плёнокNi49,5Mn28Ga22,5 ваустенитной (T = 335 К) и мартенситной (Т = 300 К) фазах. ВеличиныЭЭК нормированы на величину в максимальном поле.2,0Ni49,5Mn28Ga22,51,5T = 335 K; H = 250 OeT = 300 K; H = 250 OeT = 100 K, H = 3 kOe1,0TKE, 10-30,50,0-0,5-1,0-1,5-2,00,51,01,52,02,53,03,54,0E, eVРис. 4.4. Спектральные зависимости ЭЭК тонкой плёнки Ni49,5Mn28Ga22,5 ваустенитной (T = 335 К) и мартенситной (Т = 100, 300 К) фазах.80На кривой, полученной в поле 250 Э, в интервале температур от 300 до330 К при охлаждении и нагревании образца наблюдается температурныйгистерезис и падение величины эффекта с уменьшением температуры. Такоеповедение свидетельствует о мартенситном переходе в этой областитемператур и объясняется большой магнитной анизотропией мартенситнойфазы (см.

рис. 4.3). Мартенситный переход подавляется в поле 3 кЭ (рис.4.2б), на температурной зависимости ЭЭК отсутствуют аномалии, и величинаэффекта возрастает с уменьшением температуры. В целом, вид кривойподобен температурной зависимости намагниченности, полученной в режиме«охлаждения в поле» (FC) для монокристаллического образца Ni2MnGa [24].Исследование зависимости ЭЭК от приложенного магнитного поля длятонкой плёнки Ni49,5Mn28Ga22,5 подтвердило, что при мартенситном переходеменяются магнитные свойства образца. Это видно из графиков, приведённыхна рис. 4.3: мартенситная фаза является более магнитожёсткой (НS ~ 3 кЭ),нежели аустенитная (НS ~ 1 кЭ).На рис. 4.4 показаны спектральные зависимости ЭЭК в поле 250 Э прификсированной длине волны света, при температурах 335 и 300 К — т.е.выше и ниже температуры мартенситного перехода.

Также представленспектр при Т = 100 К в поле напряжённостью 3 кЭ. Спектры имеютодинаковое количество пиков и различаются только интенсивностью (чтосоответствует рассмотренной выше температурной зависимости). В спектрахвидны четыре характерных пика: три отрицательных при E ~ 0,75; 1,9 и 2,9эВ и один положительный при E ~ 1,4 эВ.Согласно теоретическим расчётам электронной структуры (например,[8]), наличие наиболее интенсивных пиков в магнитооптических спектрахглавным образом связано с переходами между 3d-уровнями переходныхметаллов (гибридизированных с s- и p-уровнями).В спектре для аустенитной фазы можно заметить лишь незначительныеизменения по сравнению со спектром мартенситной фазы (размытие пиковпри 2 и 3 эВ, а также небольшое смещение инфракрасного положительного81пика в область малых энергий).

Эти различия дают право говорить оботсутствии существенных изменений электронной структуры образца примартенситном переходе.Приведённые спектры ЭЭК подобны спектру для аустенитной фазымонокристалла Ni2MnGa, приведённому в работе [24] (см. рис. 1.7), чтосвидетельствует об идентичности электронной структуры массивногообразца и тонкой плёнки Ni49,5Mn28Ga22,5 в рассмотренной области энергий.4.2.2. Тонкая плёнка Ni49,44Fe18,64Co4,09Ga27,83ВкачествевторогообразцарассмотримтонкуюплёнкуNi49,44Fe18,64Co4,09Ga27,83, в которой атомы марганца заменены атомами железаи частично — атомами кобальта.В этой плёнке также наблюдался мартенситный переход из кубическойферромагнитной аустенитной фазы в ферромагнитную мартенситную фазу[128].

Мартенситный переход при температуре 250 К хорошо виден и натемпературных зависимостях экваториального эффекта Керра, полученных вмагнитных полях напряжённостью 250 Э и 2,6 кЭ (рис. 4.5а и 4.5бсоответственно).Для получения температурной зависимости ЭЭК образец охлаждалсядо Т = 77 К при выключенном магнитном поле (режим «охлаждения безполя», ZFC). После этого включалось поле H = 250 Э и производилосьизмерение ЭЭК при нагревании образца до комнатной температуры.Следующим этапом было измерение ЭЭК при охлаждении (режим«охлаждения в поле», FC). Таким образом, был выявлен температурный821,6a)Ni49,44Fe18,64Co4,09Ga27,83H = 250 OeE = 1,89 eV1,4TKE, 10-31,2ZFCFC1,00,80,60,40,250100150200250300250300T, K1,85Ni49,44Fe18,64Co4,09Ga27,831,80H = 2,6 kOeE = 1,89 eVTKE, 10-31,751,701,651,601,551,5050100150200T, KРис.4.5.ТемпературныезависимостиЭЭКтонкойплёнкиNi49,44Fe18,64Co4,09Ga27,83 в поле напряжённостью 250 Э (а) и в поленапряжённостью 2,6 кЭ (б).834Ni49,44Fe18,64Co4,09Ga27,83T = 300 K, H = 2.5 kOeT = 77 K, H = 2.5 kOe3TKE, 10-3210-1-2-30,00,51,01,52,02,53,03,54,0E, eVРис.4.6.СпектральныезависимостиЭЭКтонкойплёнкиNi49,44Fe18,64Co4,09Ga27,83 в аустенитной (T = 300 К) и мартенситной (Т = 77 К)фазах.гистерезис в области мартенситного перехода.