Синтез, кристаллическая и электронная структура и физические свойства полярных интерметаллидов на основе железа (1105738), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Твёрдые растворы Fe1-xCoxGa3 и FeGa3-yGey демонстрируют квантовоекритическоеповедение,котороесопровождаетсяферромагнитнойнестабильностью системы, при этом критическая концентрация составляет xc= 0.04 для Fe1-xCoxGa3 и yc = 0.09 для FeGa3-yGey.54Рисунок 18. Зависимость магнитного момента на атоме T1 от состава твёрдогораствора,рассчитаннаясиспользованиемприближенияусреднённогопотенциала. На вставке представлены данные для x ≤ 0.08. На рисункеиспользованы обозначения: НМ – немагнитный; ФМ – ферромагнитный; ПП –Паули-парамагнитный.Ферромагнетизм и квантовое критическое поведение твёрдого раствораFe1-xCoxGa3 реализуются вследствие выполнения критерия Стонера, чтоговорит о том, что магнетизм твёрдого раствора является зонным и основныепараметры магнитного состояния, такие как локальный магнитный моментили полная энергия системы, во многом определяются зависимостьюплотности состояний на уровне Ферми от состава твёрдого раствора.
Каквидно из рисунка 17б, зависимости плотности состояний от состава,полученные в приближении усреднённого потенциала и с использованиемгетерогантелей, совпадают между собой, следовательно, и магнитныесвойства твёрдого раствора, рассчитанные в рамках этих моделей, такжедолжны соответствовать друг другу. Действительно, плотности состоянийвблизи уровня Ферми качественно согласуются для этих двух методов(рисунок 19а и б): для α направления спинов электронов уровень Фермипересекает пик плотности состояний, в то время как для β направления55уровень Ферми лежит в запрещённой зоне.
Расчёты магнитной структуры вприближении усреднённого потенциала и с использованием гетерогантелейхарактеризуются близкими значениями плотности состояний на уровнеФерми для α направления спинов электронов, а также близкими значениямимагнитного момента M в кристаллографической позиции T1.С другой стороны, зависимость плотности состояний на уровне Фермиот состава твёрдого раствора, полученная с использованием сверхъячеек,содержащихгомогантели,отличаетсяотрезультатоврасчётоввприближении усреднённого потенциала и характеризуется более низкимиабсолютными значениями (рисунок 17б).
Вследствие низких значенийплотности состояний, полученных в результате расчётов для случаягомогантелей, основное состояние системы оказывается немагнитным почтидля всех x, и только для x = 0.5 твёрдый раствор является металлом и слабымферромагнетиком, обладающим низким значением магнитного момента наатомах T (рисунок 19в).Рисунок 19. Общий вид плотности состояний твёрдого раствора для x = 0.25,полученныйврезультатерасчётов магнитнойструктурывприближенииусреднённого потенциала (а), а также с помощью сверхъячеек, содержащихгетерогантели (б) и гомогантели (в).56Таким образом, расчёты магнитной структуры твёрдого растворапоказывают, что ферромагнетизм и квантовое критическое поведениереализуются в широкой области составов вследствие быстрого роста ивысоких значений плотности состояний при использовании приближенияусреднённого потенциала и сверхъячеек, содержащих гетерогантели Fe-Co.Расчёты с использованием сверхъячеек, содержащих гомогантели Fe-Fe и CoCo,напротив,состоянийповедения.и,характеризуютсяследовательно,Согласноневысокимиотсутствиемрезультатамрасчётовзначениямиквантовогомагнитнойплотностикритическогоструктуры,преимущественное образование гомогантелей Fe-Fe и Co-Co в локальнойструктуретвёрдогораствораможетприводитькподавлениюферромагнитной нестабильности и реализации немагнитного основногосостояния системы.4.1.4.Транспортные свойстваРасчёты электронной и магнитной структуры позволяют определитьосновное состояние твёрдого раствора, а именно тип проводимости имагнитное поведение, для всех x.
Результаты расчётов показывают, что (i)Fe1-xCoxGa3 является полупроводником для x = 0 и металлом для x > 0; (ii) для0.04 < x < 0.75 твёрдый раствор может проявлять ферромагнитное поведение,однако преимущественное образование гомогантелей Fe-Fe и Co-Co влокальной структуре твёрдого раствора, обнаруженное экспериментально спомощью69,71Ga ЯКР спектроскопии, подавляет зонный ферромагнетизмсогласно расчётам и может приводить к немагнитному поведению.
Основноесостояние твёрдого раствора исследовали экспериментальными методами, идалее будут рассмотрены основные результаты.Для того чтобы определить тип проводимости твёрдого раствора, вработе были выполнены измерения транспортных свойств. На рисунке 20представлена температурная зависимость сопротивления твёрдого растворадля различных x. Как видно из рисунка, ход зависимости R(T) сильно зависитот x: при увеличении содержания кобальта в твёрдом растворе наблюдается57переход от неметаллического типа проводимости для образцов x = 0.01 и0.025 к нормальному металлическому для образцов x = 0.075; 0.125 и 0.5.Образцы x = 0.01 и 0.025 характеризуются сложным ходом зависимости R(T),который соответствует случаю сильно допированного полупроводника.Таким образом, результаты измерений показывают, что при увеличении x дляFe1-xCoxGa3 наблюдается переход полупроводник – металл, которыйсопровождается изменением типа проводимости в области составов 0.025 < x< 0.075.
Сравнивая полученные результаты с результатами, представленнымив работе [28], можно отметить следующее несоответствие. По даннымработы [28], переход полупроводник – металл реализуется при 0.1 < x < 0.23,тогда как в настоящей работе обнаружено, что данный диапазон составляет0.025 < x < 0.075. Такое различие может быть связано с ошибкой вопределении состава методом ЛРСА, который был использован как внастоящей работе, так и в работе [28], поскольку погрешность определения xможет составлять около 0.05, что больше чем различие между составамиобразцов x = 0.075 и 0.1. Также в работе [28] показано, что для твёрдогораствора FeGa3-yGey металлический тип проводимости реализуется уже приочень малых степенях замещения галлия на германий y = 0.003, что ненаблюдается в случае твёрдого раствора Fe1-xCoxGa3.
Можно предположить,чтоэлектроннаяструктуратвёрдогораствораобладаеттакимиособенностями, благодаря которым случаи d и p допирования заметноотличаются друг от друга. В дальнейшей работе исследовали электроннуюструктуру твёрдого раствора Fe1-xCoxGa3 методом 69,71Ga ЯКР спектроскопии.58Рисунок 20. Температурная зависимость сопротивления твёрдого раствора дляразличных x. Данные нормированы относительно сопротивления при комнатнойтемпературе.4.1.5.Расширенная модель электронной структуры FeGa3На рисунке 21 представлена температурная зависимость скоростиядерной спин-решёточной релаксации FeGa3 (x = 0). Как видно из рисунка,при высоких температурах T > 100 K скорость релаксации пропорциональнаквадрату температуры, 1/T1 ∝ T 2, что соответствует фононному механизмурелаксации в результате рамановского рассеяния фононов. Данный результатсогласуется с полупроводниковым типом проводимости FeGa3, посколькудля немагнитных полупроводников отсутствует возможность реализацииэлектронного или магнитного механизмов релаксации.
Поэтому длябольшинстваполупроводниковыхсоединенийхарактеренфононныймеханизм релаксации, который наблюдается и в случае FeGa3 при T > 100 K.В то же время, при низких температурах T < 100 K наблюдается сложная59зависимость 1/T1(T), имеющая максимум скорости релаксации при T = 6 K,что не укладывается в существующую зонную модель FeGa3, согласнокоторой интерметаллид имеет изотропную запрещённую зону.
Наличиемаксимумапринизкихтемпературахобусловленоболеесложнойэлектронной структурой: согласно предложенной нами модели внутризапрещённой зоны FeGa3 содержатся дополнительные электронные уровнивблизи дна зоны проводимости. Графическое представление модели,использованнойдляописаниятемпературнойзависимостискоростирелаксации FeGa3, показано на вставке рисунка 21, и основные параметры,полученные в результате аппроксимации экспериментальных данных,перечислены в Таблице 9.Рисунок 21. Температурная зависимость скорости ядерной спин-решёточнойрелаксации FeGa3 (x = 0). Красной сплошной линией показана аппроксимацияэкспериментальныхданных(см.втексте)представленной на вставке рисунка.60всоответствиисмоделью,Таблица 9. Параметры электронной структуры FeGa3. Стандартныеотклонения не превышают 20 %.ПараметрЗначениезапрещенная зона 2∆, K5500ширина дополнительных уровней внутри запрещённой зоны w, K1ширина валентной зоны (зоны проводимости) W, K75энергетическая щель между дополнительными уровнями и зоной 13проводимости 2δ, KПредложенной модели соответствуют два температурных режима.
Длянизкотемпературногорежимаскоростьрелаксациивозрастаетприувеличении температуры от 3 до 6 K, что соответствует активацииэлектронов, локализованных на дополнительном уровне шириной 1 К, с ихпоследующим переносом в незаполненную зону проводимости. Энергияактивации такого переноса электронов составляет 13 К. При дальнейшемповышении температуры дополнительные уровни внутри запрещённой зонытермически размываются, в результате чего скорость релаксации убывает ипроходит через минимум, расположенный при T ~ 50-60 K.
Послепрохождения минимума реализуется высокотемпературный режим, длякоторого уровни внутри запрещённой зоны полностью исчезают, а скоростьрелаксации увеличивается за счёт переноса электронов через основнуюзапрещённую зону шириной 5500 К, что соответствует 0.4 эВ и хорошосогласуется с литературными данными [10, 17, 21, 24-26].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
