В настоящее время развиваются новые направления науки, в том числе спинтроника. Для устройств спинтроники необходимы новые магнитные материалы с высокой степенью спиновой поляризации носителей заряда. Одними из таких перспективных материалов являются полуметаллические ферромагнетики (ПМФ) [1]. Было предсказано, что некоторые из сплавов Гейслера – интерметаллических соединений типа X2YZ со структурой L21 (X, Y – переходные металлы, Z – элементы III-V групп), проявляют черты полуметаллического ферромагнетизма. Главная особенность таких материалов – существование щели в зонной структуре для носителей тока с одним направлением спина и её отсутствие для носителей с противоположным спином, что характерно для зонной структуры металла. Это может привести к 100 % поляризации носителей заряда, что, в свою очередь, можно использовать в спинтронике. Обычно эта особенность электронного спектра выявляется в результате «первопринципных» зонных расчетов и экспериментально обнаруживается при измерении оптических характеристик (например, [2]). В частности, такие особенности наблюдали и в сплавах Гейслера на основе Co2YZ. Значительные изменения спектральных параметров в зависимости от температуры и, особенно, при переходе из ферромагнитного в парамагнитное состояние, могут также повлиять на поведение других свойств данных материалов, в том числе и на удельное электросопротивление r(T).
В связи с этим, поставленная цель данной работы – изучение роли «щелевых» особенностей в электросопротивлении ПМФ сплавов на основе Co2YZ. Поэтому были измерены температурные зависимости электросопротивления r(T) сплавов Co2YZ (Y = Cr, Ti, V; Z = Al, Ga) в широком интервале температур 4 ≤ Т ≤ 800 К.
Материалы и методы исследования
Сплавы Co2CrAl, Co2TiAl, Co2VAl, Co2CrGa были изготовлены методом дуговой плавки в атмосфере аргона. Плавление проводилось в течение 24 часов при Т = 1123 К с последующим охлаждением до комнатной температуры. 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, и в сплавах сформирована структура L21. Расчеты зонной структуры продемонстрировали (см., например, [3, 4]), что рассматриваемые сплавы являются полуметаллическими ферромагнетиками. Электросопротивление определялось с помощью стандартной четырехконтактной методики.
Результаты исследования и их обсуждение
|
а) |
б) |
|
в) |
г) |
Рис. 1. Температурные зависимости электросопротивления а) – Co2CrAl, б) – Co2TiAl, в) – Co2Val, г) – Co2CrGa
Температурные зависимости сопротивления представлены на рис. 1, а в таблице – значения температуры Кюри и остаточного электросопротивления исследуемых сплавов Co2MeAl (Me = Cr, Ti, V). Видно, что величины остаточного электросопротивления r0 и вид зависимостей r(Т) сплавов значительно отличаются друг от друга. Так для сплава Co2TiAl r0 = 0.4 μΩ?m, а для для Co2TiAl r0 = 2.34 μΩ?m. Сопротивление одних сплавов возрастает с ростом температуры, а на r(Т) других имеются участки с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). При температуре вблизи температуры Кюри, на зависимостях электросопротивления наблюдаются изломы и/или экстремумы. С чем связано такое существенное различие в поведении электросопротивления этих сплавов? Поскольку эти соединения относятся к ПМФ, то можно предположить, что это и связано с особенностями их электронного спектра, а именно, с энергетической щелью на уровне Ферми.
Согласно литературным данным [см., например, 8], в ПМФ сплавах существует два канала проводимости: один для электронов со спином вверх, а другой – для электронов со спином вниз. Первый канал проводимости s↑ имеет обычную зависимость от температуры, как для ферромагнитного металла, то есть:
(1)
где r0 – остаточное сопротивление, rее, rph, rm – вклады в общее электросопротивление от электрон-электронного, электрон-фононного и электрон-магнонного рассеяний, соответственно.
Второй канал проводимости s↓ для электронов со спином вниз должен зависеть от параметров энергетической щели в электронном спектре вблизи уровня Ферми. Проводимость s↓ должна иметь либо экспоненциальную зависимость, т.е. s↓ ~ exp(-T/T0), где Т0 – температура щели, либо степенную зависимость s↓ ~ Тn, где n – показатель степени. Так как оба канала проводимости s↑ и s↓ имеют полностью отличающиеся температурные зависимости, т.е. s↑ уменьшается, а s↓ – увеличивается с возрастанием температуры, то могут легко проявиться некоторые особенности электросопротивления r(Т) (проводимости s(Т)) – отрицательный температурный коэффициент сопротивления, экстремумы вблизи Тс и высокие значения остаточного сопротивления, что и наблюдаются в эксперименте (рис. 1). Представляет интерес и поиск экспоненциальной зависимости сопротивления (проводимости) от Т. Отметим, что температурная зависимость проводимости (сопротивления), пропорциональная exp(-B/T1/4), где B – коэффициент, действительно наблюдалась в высокорезистивных сплавах ([9]). Данная зависимость подобна закону Мотта «Т1/4» [10] с механизмом прыжковой проводимости при переменной длине прыжка. Было высказано предположение, что проводимость исследованных сплавов тоже может быть пропорциональна exp(-B/T1/4). Чтобы подтвердить это предположение, было изучено сопротивление (проводимость) сплавов Co2MeAl (Me = Cr, Ti, V).
Для анализа экспериментальных данных была использована концепция сосуществования упругого и неупругого рассеяний электронов [9]. Согласно [9], температурная зависимость проводимости высокорезистивных сплавов может быть записана как
s = s(0) + sin = s(0) + A?exp(-B/T1/4), (2)
где А, В – коэффициенты, s(0) – обычная проводимость металлов, обусловленная процессами упругих рассеяний носителей тока и sin – проводимость, связанная с неупругим рассеянием носителей заряда. Проводимость s(0) включает остаточную проводимость, проводимость электрон-электронного и электрон-фононного взаимодействий. Предполагается, что sin >> s(0).
На рис. 2 изображены температурные зависимости проводимости в координатах ln[s(T)-s(0)] от T-1/4 для сплавов Co2YZ (Y = Cr, Ti, V; Z = Al, Ga). Видно, что проводимость s ~ А?exp(-B/T1/4) в широком интервале температур, что также может быть проявлением особенностей электронной зонной структуры вблизи уровня Ферми EF этих сплавов [9].
Значения температур Кюри ТС и остаточного сопротивления r0
|
Сплав |
Co2CrAl |
Co2TiAl |
Co2VAl |
Co2CrGa |
|
ТC, К |
305[5] |
120[6] |
357[7] |
495 [8] |
|
r0, μΩ?m |
1.5 |
0.4 |
2.34 |
1.28 |
|
а) |
б) |
|
в) |
г) |
Рис. 2. Зависимость ln[σ(T)-σ(0)] от T1/4 а) – Co2CrAl, б) – Co2TiAl, в) – Co2Val, г) – Co2CrGa
Заключение
В данной работе показано, что температурные зависимости электросопротивления полуметаллических ферромагнитных сплавов Гейслера на основе Со, преимущественно определяются особенностями их зонной структуры. Присутствие энергетической щели на уровне Ферми ЕF в одной из подзон носителей тока со спином вниз может привести к аномалиям в сопротивлении, т.е. к высокому остаточному сопротивлению, экстремумам вблизи температуры Кюри и к отрицательному температурному коэффициенту сопротивления. Обнаружено, что в этих высокорезистивных сплавах при высоких температурах проводимость пропорциональна exp(-B/T1/4).
Работа выполнена по плановому государственному заданию (тема «Спин» № 01201463330) при частичной поддержке Комплексной программы УрО РАН (проект № 15-17-2-12), проекта РФФИ (грант № 15-02-06686) и молодежного проекта РФФИ (грант № 16-32-00072).