Многочисленные исследования электронных свойств сплавов Fe-V-Al с составами вблизи стехиометрического (Fe2VAl) привели к обнаружению уникальных эффектов, состоящих в кардинальном изменении основных физических параметров и закономерностей их изменения при малых вариациях содержания какого-либо компонента, либо при различных режимах термообработки. Данные сплавы в равновесном состоянии при малом изменении состава вблизи стехиометрии обладают целым рядом интересных особенностей, которые проявляются в электрических, гальваномагнитных, магнитных и термоэлектрических свойствах, что определяет широкие возможности их практического применения [1–3]. С одной стороны, эти сплавы можно рассматривать в качестве перспективных термоэлектриков [2]. С другой стороны, наличие в исследуемых сплавах заполненной спиновой подзоны с высокой плотностью состояний на уровне Ферми делает их привлекательными объектами для использования в области спинтроники [3].
Ранее в работах [2, 4] было показано, что при малых изменениях содержания немагнитной компоненты (Al) либо соотношения атомов Fe-Al и V-Al в cплавах Fe-V-Al может изменяться как плотность электронных состояний вблизи уровня Ферми, так и параметры магнитной подсистемы. Эти характерные особенности проявляются в электронных и магнитных свойствах исследуемых металлических систем. Резкие изменения в плотности электронных состояний вблизи EF, а также появление магнитных неоднородностей (флуктуаций намагниченности) могут наблюдаться и в случае изменения соотношения переходных элементов Fe-V при фиксированном содержании алюминия, что должно проявляться в электронных и магнитных свойствах исследуемых нестехиометрических сплавов. До настоящего времени подобные экспериментальные исследования не проводились. Поэтому цель данной работы – изучение влияния изменения соотношения Fe-V при фиксированном содержании атомов Al на кинетические свойства (электро- и магнитосопротивление) сплавов Fe-V-Al.
Материалы и методы исследования
Сплавы Fe-V-Al были выплавлены в индукционной печи в инертной атмосфере очищенного аргона с трехкратным переплавом для получения лучшей однородности, а затем медленно охлаждены вместе с печью. Чистота исходных компонентов составляла 99,97 % – для Fe, 99,91 % – для V и 99,99 % – для Al. Рентгеноструктурные исследования подтвердили наличие структуры L21, характерной для полных сплавов Гейслера. Были синтезированы сплавы с составами Fe1,76V1,2Al1,04 и Fe1.87V1.1Al1.03, т.е. при фиксированном содержании атомов Al соотношение атомов переходных элементов Fe-V изменялось от 1,47 до 1,7 соответственно. Образцы для исследований вырезались электроискровым способом и имели форму прямоугольного параллелепипеда с размерами 1,0×2,5×10,0 мм3. Атомное содержание элементов и однородность образцов определялись при помощи энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии с использованием растрового электронного микроскопа Inspect F (FEI Company), оснащенного приставкой для рентгеновского микроанализа EDAX. Погрешность при определении элементного состава образцов составляла ~ 1 ат. %. Элементный анализ состава проводился для центральной части образцов и по краям.
Электро- и магнитосопротивление измерялись по стандартной 4-зондовой методике на постоянном токе с коммутацией направления электрического тока и внешнего магнитного поля в интервале температур (2–300) K в магнитных полях до 10 T. Эксперименты были проведены в Центре коллективного пользования «Испытательный центр нанотехнологий и перспективных материалов» (ЦКП «ИЦ НПМ») Института физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН.
Результаты исследования и их обсуждение
На рис. 1 представлены температурные зависимости удельного электросопротивления ρ(Т) для образцов Fe1.76V1.2Al1.04 и Fe1.87V1.1Al1.03 с разным соотношением содержания атомов переходных элементов Fe и V. Видно, что наблюдаемые зависимости проявляют подобный характер для обоих образцов, но по абсолютной величине электросопротивление сильно отличается при низких температурах (T < 20 K) и в высокотемпературной области. Причем сопротивление образца Fe1.87V1.1Al1.03 с большим соотношением содержания атомов Fe-V (1,7) сильнее изменяется с ростом температуры по сравнению с сопротивлением сплава Fe1.76V1.2Al1.04. Для более удобного сравнения поведения ρ(Т) двух этих сплавов их сопротивление было нормировано на сопротивление при T = 300 K (рис. 2). Обнаружено, что при изменении температуры от 2 до 300 К для образца Fe1.87V1.1Al1.03 (соотношение Fe-V – 1,7) сопротивление уменьшается в 19 раз, в то время как для сплава Fe1.76V1.2Al1.04 (соотношение Fe-V – 1,47) – в 1,7 раза. Причиной такого сильного различия в поведении удельного электросопротивления ρ(Т) при незначительном изменении соотношения содержания атомов переходных элементов Fe-V (содержание атомов Fe отличается на 11 ат. %) может быть, как отличающаяся картина плотности электронных состояний NE на уровне Ферми, так и характеристики магнитной подсистемы.
Ранее в работе [5] при исследовании теплоемкости сплавов Fe-V-Al было показано, что резкий подъем величины C/T (C – теплоемкость, T – температура) с понижением температуры в сплаве, близком по составу к Fe1.87V1.1Al1.03, может быть обусловлен наличием узкой (≈ 2мэВ) псевдощели вблизи уровня Ферми. Кроме того, согласно данным из статьи [5] в таких сплавах при перестановке местами атомов Fe и V, а также атомов Fe и Al возникают дефекты (магнитные неоднородности) и, как следствие, появляется дополнительный вклад в магнитный момент.
Рис. 1. Зависимость удельного электросопротивления от температуры для образцов Fe1,76V1,2Al1,04 (кривая1) и Fe1.87V1.1Al1.03 (кривая 2)
Рис. 2. Зависимость нормированного электросопротивления (ρ/ρ300K) от температуры для образцов Fe1.87V1.1Al1.03 (кривая 1) и Fe1,76V1,2Al1,04 (кривая 2)
Учитывая вышесказанное, можно предположить следующее. Во-первых, большое значение остаточного сопротивления ρост. сплава Fe1.87V1.1Al1.03 и сильное уменьшение ρ с ростом температуры (рис. 1 и 2) может быть связано с проявлением упомянутой узкой псевдощели в плотности электронных состояний на уровне Ферми.[6] В случае сплава Fe1.76V1.2Al1.04 величина ρост. также велика (рис. 1), но ρ(Т) не так сильно уменьшается с ростом температуры (рис. 2), что можно связать с «замазыванием» псевдощели при изменении соотношения Fe-V. Во-вторых, если считать, что при перестановке местами атомов Fe и V, а также Fe и Al, антиструктурные дефекты в обоих сплавах образуются пропорционально количеству составляющих их элементов, тогда в сплаве Fe1.87V1.1Al1.03 дефектов должно быть больше за счет большего количества пар Fe-Al. Если эти рассуждения верны, то сплав Fe1.87V1.1Al1.03 должен обладать большим значением намагниченности по сравнению с Fe1.76V1.2Al1.04, а при наличии ферромагнитной фазы, возможно, и большим отрицательным вкладом в магнитосопротивление. Поэтому были измерены полевые зависимости намагниченности, а также полевые и температурные зависимости магнитосопротивления данных сплавов.
Исследования намагниченности показали, что при T = 2 K в поле 30 кЭ для образца Fe1.76V1.2Al1.04 с меньшим соотношением Fe-V намагниченность s4.2K = 0,15 emu/g, а для образца Fe1.87V1.1Al1.03 с большим соотношением Fe-V s4.2K = 0,20 emu/g. Кроме того, для образца Fe1.87V1.1Al1.03 наблюдается гистерезис намагниченности, что может быть связано с наличием ферромагнитной фазы. Если это действительно так, то в сплаве Fe1.87V1.1Al1.03, в отличие от образца Fe1.76V1.2Al1.04, вклад в магнитосопротивление, обусловленный рассеянием носителей тока на магнитных неоднородностях, должен преобладать над вкладом от обычного лоренцевского закручивания.
На рис. 3–5 представлены температурные и полевые зависимости относительного магнитосопротивления (ρ(H)-ρ(0))/ρ(0) (где ρ(H) – удельное сопротивление образца в магнитном поле, ρ(0) – удельное сопротивление образца при отсутствии магнитного поля). Из рис. 3 и вставки к нему видно, что магнитосопротивление сплава Fe1.76V1.2Al1.04 положительное во всем исследованном интервале температур, в то время как в сплаве Fe1.87V1.1Al1.03 оно отрицательное.
Рис. 3. Температурная зависимость поперечного магнитосопротивления для образцов Fe1,76V1,2Al1,04 (кривая 1) и Fe1.87V1.1Al1.03 (кривая 2) в поле 90 кЭ. На вставке: более подробно – температурная зависимость поперечного магнитосопротивления для этих же образцов в интервале температур (50–300) К
Рис. 4. Полевые зависимости магнитосопротивления образца Fe1,76V1,2Al1,04 при разных температурах
Рис. 5. Полевые зависимости магнитосопротивления образца Fe1.87V1.1Al1.03 при разных температурах
Известно, что в случае слабых эффективных магнитных полей, когда l/rH << 1 (l – длина свободного пробега, rH – ларморовский радиус), магнитосопротивление положительное и квадратичное по магнитному полю H в немагнитных металлах, отрицательное и, как правило, квадратичное или линейно-квадратичное по H в магнетиках [7], когда рассеяние носителей тока на магнитных неоднородностях является преобладающим механизмом рассеяния. Как видно из рис. 4, магнитосопротивление сплава Fe1.76V1.2Al1.04 положительное, относительно небольшое (напр., при Т = 8 К оно меньше 1 % в поле 90 кЭ), изменяющееся с полем по закону, отличающемуся от линейного. В случае образца Fe1.87V1.1Al1.03 (рис. 5) магнитосопротивление отрицательное во всем изученном интервале температур, а при Т = 8 К его величина около 11 % в поле 90 кЭ. Полученные результаты подтверждают высказанное выше предположение о том, что при переходе от сплава Fe1,76V1,2Al1,04 к сплаву Fe1.87V1.1Al1.03 и увеличении соотношения переходных элементов Fe-V от 1,47 до 1,7 происходит рост неоднородности намагниченности, приводящий к дополнительному рассеянию носителей заряда и изменению величины и знака магнитосопротивления.
Заключение
Таким образом, показано, что при изменении соотношения Fe-V в сплавах Fe1,76V1,2Al1,04 и Fe1.87V1.1Al1.03 от 1,47 до 1,7 соответственно, происходит перестановка местами атомов железа и ванадия, а также железа и алюминия. Это приводит к появлению особенностей электронного энергетического спектра в виде узкой псевдощели, возникновению дефектов и, как следствие, росту флюктуаций намагниченности, что сильно проявляется в электронных кинетических свойствах (электро- и магнитосопротивление) сплавов Fe-V-Al.
Работа выполнена по плановому государственному заданию (тема «Электрон» № АААА-А18-118020190098-5) при частичной поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-32-00618.