Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,570

ОПТИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СПЛАВОВ ГЕЙСЛЕРА НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА

Шредер Е.И. 1 Коуров Н.И. 1 Дякина В.П. 1 Марченкова Е.Б. 1 Емельянова С.М. 1 Перевозчикова Ю.А. 1 Подгорных С.М. 1 Марченков В.В. 1
1 Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН, Екатеринбург
В работе представлены результаты исследования оптических и электрических свойств сплавов Гейслера Fe2MeAl (Me = Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni). Обнаружены существенные изменения зонного спектра в окрестности уровня Ферми при замещении атома Ме. Эти изменения сопровождаются существенными изменениями оптических и электрических свойств. Характер их поведения типичен для металлов для сплавов Fe2MeAl (Me = Ti, Fe, Co, Ni). Аномальное поведение оптических и электрических свойств сплавов с Ме = V, Cr, Mn, определяется наличием псевдощели на уровне Ферми в одной или обеих спиновых подсистемах.
сплавы Гейслера
электросопротивление
диэлектрическая проницаемость
оптическая проводимость
электронная структура
1. Ирхин В.Ю., Кацнельсон М.И. Полуметаллические ферромагнетики. // УФН. – 1994. – т. 164. – С. 705–724.
2. Коуров Н.И. Особенности электрического сопротивле- ния полуметаллических ферромагнетиков Fe2 MeAl (Me = Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni) / Н.И. Коуров, В.В. Марченков, К.А. Белозе- рова, H.W Weber // ЖЭТФ. – 2014. – Т. 145, № 3. – С. 491–496.
3. Соколов А.В. Оптические свойства металлов. – М.: ГИФМЛ, 1961. – 464 с.
4. Шредер Е.И. Оптические и транспортные свой- ства сплавов Fe(3-x)VXAl / Е.И. Шредер, М.М. Кириллова, А.А. Махнев, В.П. Дякина // ФММ. – 2002. – Т. 93. – С. 51–61.
5. Buschow K.H.J., Van Engen P.G., Jongebreur R. Magneto-optical properties of metallic ferromagnetic materials // JMMM. – 1983. – V. 38, Iss. 1. – P. 1–22.
6. DeGroot R.A.NewClassofMaterials:Half-MetallicFerromagnets/ R.A. De Groot, F.M. Mueller, P.G. Van Engen, K.H.J. Buschow // Phys. Rev.Lett. – 1983. –V.50, Iss. 25. – P. 2024–2028.
7. Pickart S.J., Nathans R. Unpaired Spin Density in Ordered Fe3 Al // Phys. Rev. – 1961. – V.123, Iss. 4. – P. 1163–1171.
8. Shreder E. Evolution of the electronic structure and physical properties of Fe2 MeAl (Me = Ti, V, Cr) Heusler alloys / E. Shreder, S.V. Streltsov, A. Svyazhin, A. Makhnev, V.V. Marchenkov, A. Lukoyanov, H.W. Weber // J. of Physics: Condens. Matter. – 2008. – V. 20, № 4. – P. 45212.
9. Shreder E.I. Electrical and Optical Properties of X2 YZ (X = Co, Fe; Y = Cr, Mn, Ti; Z = Ga, Al, Si) Heusler Alloys / E.I. Shreder, K.A. Fomina, V.V. Marchenkov, H.W. Weber // Solid State Phenom. – 2011. – V.168–169. – P. 545–549.
10. Yoshinobu Aoyagi, Kotaro Kajikawa. Optical Properties of Advanced Materials. Germany: Springer Series in Materials Science, 2013. – V. 168. – P. 191

Объектом особого внимания исследователей являются сплавы Гейслера X2MeZ (X, Me – переходные металлы, Z – s, p-элемент), которые, согласно теоретическим расчетам, являются полуметаллическими ферромагнетиками (ПМФ) – в их зонном спектре имеется щель в одной спиновой подсистеме [6, 8]. Проблема формирования электронной структуры ПМФ вызывает большой интерес как с теоретической, так и чисто прикладной позиции. Ситуация резко различных состояний для спина вверх и для спина вниз интересна для общей теории коллективизированного магнетизма [1]. Спиновая поляризация электронов проводимости в ПМФ может достигать 100 %, что делает данные сплавы перспективными для применения в устройствах спиновой электроники [10]. Предыдущие эксперименты показали, что в сплавах Fe2МеZ, Co2МеZ – полуметаллических ферромагнетиках наблюдается аномальное поведение оптических и электрических свойств [2, 9]. Однако механизмов, объясняющих такое поведение, нет.

Целью работы является систематическое комплексное исследование и сравнение проявления энергетической щели в оптических спектрах и температурной зависимости электросопротивления сплавов Гейслера на основе Fe при варьировании атома Mе в ряду 3d-металлов.

Материалы и методы исследования

Образцы сплавов выплавлены в индукционной печи в атмосфере очищенного аргона с трехкратным переплавом для обеспечения равномерного перемешивания компонентов и получения лучшей однородности по составу. Полученные сплавы отжигали в течение 48 часов при 800 K в атмосфере аргона с последующим охлаждением до комнатной температуры со скоростью около 100 K/hour. Атомное содержание элементов в сплавах контролировалось с помощью сканирующего электронного микроскопа FEI Company Quanta 200, оснащенного приставкой рентгеновского микроанализа EDAX. Исследования показали, что для всех изученных сплавов отклонения от стехиометрического состава являются незначительными. Рентгенографические данные, полученные в Cr Ka -излучении на дифрактометре ДРОН-6, подтвердили формирование L21 структуры. Параметры кристаллической решетки исследованных сплавов близки к опубликованным ранее [5]. Соединение Fe3Al, кристаллизирующееся в DO3 структуре, имеет две неэквивалентных позиции атомов железа – Fe(I) и Fe(II) [7]. Поэтому формально его можно отнести к сплавам Гейслера с формулой Fe(I)2Fe(II)Al. Структурная аттестация исследованных сплавов была выполнена в центре коллективного пользования ИФМ УрО РАН.

Аттестация образцов по магнитным свойствам показала, что все сплавы являются ферромагнетиками. В таблице приведены значения точек Кюри вместе со значениями остаточного сопротивления и статической проводимости при комнатной температуре, полученные в настоящей работе. Сплав Fe2NiAl известен с 30-х годов, изучался и использовался как материал для постоянных магнитов.

Измерения электросопротивления были выполнены с использованием общепринятой 4-х контактной методики на постоянной токе, с коммутацией направления электрического тока через образец.

Измерения показателей преломления n и поглощения k выполнены эллипсометрическим методом Битти. Значения оптических постоянных n и k использованы для вычисления действительной ε1(w) части диэлектрической проницаемости, оптической проводимости hreder01.wmf (w – циклическая частота световой волны).

Результаты исследования и их обсуждение

1. Температурная зависимость электросопротивления

Характер поведения электросопротивления и оптических свойств в ИК области спектра определяется параметрами электронов проводимости – плазменной частотой Ω и частотой релаксации γ. Частота релаксации γ включает в себя все механизмы рассеяния электронов. Квадрат плазменной частоты Ω2, согласно [3], связан с плотностью состояний на уровне Ферми и пропорционален потоку скорости электронов через поверхность Ферми hreder02.wmf. Для кубических кристаллов hreder03.wmf. На рис. 1 представлены кривые температурной зависимости электросопротивления исследованных сплавов.

По характеру температурной зависимости электросопротивления можно выделить три принципиально разные группы сплавов. Сплавы Fe2TiAl, Fe3Al и Fe2NiAl, имеют поведение ρ(T), характерное для сплавов и интерметаллических соединений: невысокие значения остаточного сопротивления (ρ0 < 1 mΩ?m) и положительный температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Кроме того, следует отметить «эффект насыщения сопротивления», когда с ростом температуры наклон зависимости ρ(T) уменьшается. В сплавах Fe2CrAl, Fe2MnAl и Fe2СoAl в широком интервале температур, включающем как магнитоупорядоченное, так и разупорядоченное состояния, наблюдается отрицательный ТКС. Сплав Fe2VAl имеет полупроводниковый ход кривой электросопротивления с высоким остаточным сопротивлением и отрицательным ТКС.

Таблица 1

Значения температуры Кюри ТС, остаточного сопротивления ρ0 и статической проводимости при комнатной температуре исследованных сплавов

Сплавы

Fe2TiAl

Fe2VAl

Fe2CrAl

Fe2MnAl

Fe3Al

Fe2CoAl

Fe2NiAl

ТС, К

123[14]

7[8]

246[8]

150

~775[15]

800

800

ρ0, mΩm

0,115

20,2

4,43

2,63

0,53

1,61

0,615

s300 К, 1014 с-1

170

5

24

31

74

100

123

hrederE1.tif

Рис. 1. Температурные зависимости электросопротивления сплавов Fe2MeAl, Me = V (1), Cr (2), Mn (3), Fe (4), Ni (5) Ti (6), Co (7)

hrederE2.tif

Рис. 2. Дисперсия действительной части диэлектрической проницаемости ε1(ω) сплавов

hrederE3.tif

Рис. 3. Дисперсия оптической проводимости σ(ω) сплавов в ИК области спектра

2. Внутризонное поглощение

В металлах и сплавах в инфракрасной области спектра основную роль в формировании оптических свойств играет механизм внутризонного ускорения электронов полем световой волны [3]. Его вклад определяется параметрами электронов проводимости и уменьшается пропорционально квадрату частоты падающего света ω2. Отрицательные значения действительной части диэлектрической проницаемости ε1 в ИК–области спектра являются оптическим критерием проводимости металлического типа вещества.

На рис. 2 приведены кривые действительной части диэлектрической проницаемости ε1 исследованных сплавов. Сплавы, содержащие V и Cr, имеют положительные значения ε1 вплоть до границы исследованного интервала. Остальные сплавы имеют отрицательные значения, различающиеся по абсолютной величине. Это указывает на наличие свободных носителей в каждом сплаве, но с различной концентрацией.

Оценка квадрата плазменной частоты Ω2 электронов проводимости из анализа зависимости hreder04.wmf в ИК области дала значения в интервале от 3·1030 с-2 для Fe2MnAl до 20·1030 с-2 для Fe2NiAl. Для сплава Fe2VAl ранее было получено оценочное значение 2,5·1028 с-2 [4]. Для сплава Fe2CrAl определить W2 невозможно из-за отсутствия участка, где доминирует внутризонное поглощение и действительная часть диэлектрической проницаемости ε1(w) отрицательна.

Из соотношения hreder05.wmf (e и m-заряд и масса свободного электрона) эффективная концентрация носителей заряда Nэфф ~ 1022 см-3 для Fe2NiAl, ~1021 см-3 для Fe2MnAl и ~1019 см-3 для Fe2VAl. По сравнению с нормальными металлами эти значения ниже на 1, 2 и 4 порядка, соответственно.

Таким образом, исследования диэлектрической проницаемости показали, что замена атома Ме в сплавах сопровождается значительным изменением металлических (проводящих) свойств. Результаты оптических исследований согласуются с данными по измерению электросопротивления.

3. Межзонное поглощение

Как известно, в пределе w → 0 оптическая проводимость приближается к значениям статической [3]. На рис. 3 показана дисперсия оптической проводимости σ(w) сплавов в ИК области спектра. На оси ординат нанесены точки, соответствующие статической проводимости при комнатной температуре. Из рисунка видно, что экспериментальные кривые s(w) действительно стремятся к этим точкам (пунктирные линии): Аномальное поведение оптической проводимости сплавов Fe2VAl Fe2CrAl, Fe2MnAl согласуется с аномальным поведением электросопротивления.

Обсуждение экспериментальных результатов проведены на основе расчетов электронной структуры.

1. Согласно зонным расчетам, для сплавов Fe3Al, Fe2CoAl и Fe2NiAl уровень Ферми расположен в области высокой плотности d-состояний в зоне со спинами вниз (↓) и в области низкой плотности состояний в зоне со спинами вверх (↑). В случае сплава Fe2TiAl в системе зон со спинами вверх (↑) два больших пика плотности d-состояний Fe ниже и выше ЕF разделены энергетической щелью шириной ~0,7 эВ [8]. В системе зон со спинами (↓) уровень Ферми расположен на пике N(E), образованном d-состояниями Fe. Поскольку в реальном образце, как показал рентгеноструктурный анализ, присутствует дополнительная фаза в количестве 12–15 %, в спектре присутствует соответствующий дополнительный вклад. На уровень Ферми выходят s-p-состояния, зонные скорости электронов значительно выше. Это проявляется в наличии внутризонного поглощения и высоком значении статической проводимости.

2. Сплавы Fe2CrAl, Fe2MnAl имеют электронную структуру, характерную для ПМФ [8]. В системе зон со спинами вниз (↓) два больших пика от d-состояний Fe (ниже ЕF) и d-состояний Mn(Cr) и Fe (выше ЕF) разделены энергетической щелью шириной ~ 0,5 эВ. Уровень Ферми расположен вблизи края энергетической щели, плотность состояний на нем мала. В системе зон со спинами вверх (↑) d-состояния Fe и Mn(Cr) формируют общую d-зону. Уровень Ферми для Fe2MnAl расположен между пиками плотности состояний или на склоне пика. Для Fe2CrAl уровень Ферми расположен на пике N(E), образованном d-состояниями Cr и Fe [8]. Это обуславливает низкие зонные скорости электронов и, как следствие, низкие значения квадрата плазменной частоты.

3. Особое поведение оптических и электрических свойств в случае Fe2VAl обусловлено тем, что уровень Ферми расположен внутри глубокой псевдощели в плотности состояний [8].

Заключение

Представлены результаты исследования оптических и электрических свойств большой группы сплавов Гейслера Fe2MeAl (Me = Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni). Показано, что замена атома Ме в сплавах сопровождается значительным изменением металлических (проводящих) свойств. Выделены 3 принципиально разных типа температурной зависимости электросопротивления и дисперсии оптической проводимости сплавов, особенно в ИК области спектра. Существенные изменения оптических и электрических свойств при замещении атома Ме обусловлены существенными изменениями электронной структуры сплавов. Аномальное поведение свойств сплавов с Ме = V, Cr, Mn можно считать проявлением энергетической щели в оптических спектрах.

Работа выполнена при частичной поддержке Программы фундаментальных исследований УрО РАН (проект № 15-17-2-12).


Библиографическая ссылка

Шредер Е.И., Коуров Н.И., Дякина В.П., Марченкова Е.Б., Емельянова С.М., Перевозчикова Ю.А., Подгорных С.М., Марченков В.В. ОПТИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СПЛАВОВ ГЕЙСЛЕРА НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 12-3. – С. 449-452;
URL: http://applied-research.ru/ru/article/view?id=7952 (дата обращения: 17.10.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074