Повышенный интерес к изучению интерметаллических соединений на основе сплавов Гейслера [3] во многом обусловлен возможностью их применения в спинтронике как полуметаллических ферромагнетиков [3, 5] с высокой степенью поляризации носителей заряда [3, 4]. Основной особенностью полуметаллических ферромагнетиков является наличие щели в их электронном спектре на уровне Ферми для носителей заряда со спином вниз. Эта особенность обычно выявляется в результате зонных расчетов и в экспериментах при измерении оптических свойств. По-видимому, эта энергетическая щель должна проявляться и в других электронных свойствах, в частности, в электронном транспорте. Известно, что некоторые из сплавов Гейслера относятся к классу ПМФ, а наиболее перспективными из них являются сплавы с большими температурами Кюри TC и высокой спиновой поляризацией при комнатной температуре. К таким материалам, в частности, относится сплав Гейслера Co2FeSi, с TC около 1100 K [2]. Поэтому любая новая информация о физических свойствах этого сплава, в частности, новые данные об электрических свойствах, представляет несомненный интерес. Цель данной работы – получение новой информации об электронных свойствах сплава Co2FeSi, а также о проявлении энергетической щели на уровне Ферми в электронном транспорте, посредством экспериментального исследования температурных зависимостей электро- и магнитосопротивления от 4.2 до 100 K и в магнитном поле 14 Тл.
Материалы и методы исследования
Сплав Co2FeSi был выплавлен методом дуговой плавки в атмосфере аргона, затем он был подвергнут отжигу при температуре 1100 K в течение 24 часов с последующим охлаждением в печи. Из полученного слитка электроискровым методом вырезались образцы для измерения электро- и магнитосопротивления. Элементный анализ проводился с помощью сканирующего электронного микроскопа с автоэмиссионным катодом FEI Inspect F и приставкой GENESIS APEX 2 (Inspect F, FEI Company), оснащенного EDAX спектрометром. Рентгеноструктурные исследования образца проведены на рентгеновском порошковом автодифрактометре STADI-P (STOE, Германия) в CuK-излучении (длина волны = 1,542 A) при температуре 293 K в диапазоне углов 5-120 °. Исследования показали, что отклонение от стехиометрического состава является незначительным и в сплаве сформирована структура L21.
Измерения сопротивления были выполнены на постоянном токе стандартным четырехзондовым методом с коммутацией тока через образец с размерами 0.80.812 мм2, в интервале температур от 4.2 до 100 K без магнитного поля и в поле 14 Тл.
Результаты исследования и их обсуждение
На рис. 1 представлены температурные зависимости сопротивления сплава Co2FeSi без магнитного поля и в поле 14 Тл, соответственно. Видно, что обоих случаях сопротивление возрастает с температурой по закону близкому к квадратичному. Чтобы проверить это предположение, были построены зависимости сопротивления от квадрата температуры T2 в отсутствие магнитного поля и в поле B = 14 Тл (Рис. 2). Хорошо видно, что имеется два температурных интервала, где сопротивление квадратично зависит от Т.
Рис. 1. Зависимость электросопротивления от температуры без магнитного поля (черная линия) и в поле 14 Тл (красная линия)
Рис. 2. Зависимость сопротивления Co2FeSi от T2 без магнитного поля (, черная линия) и в поле 14 Тл (о, красная линия). На вставке показана температурная зависимость магнитосопротивления в поле 14 Тл
Общее сопротивление металлов обычно состоит из нескольких вкладов от различных механизмов рассеяния носителей заряда. Поэтому был проанализирован вид температурных зависимостей сопротивления (T). Как видно из рис. 2, (T) исследованного сплава состоит из независимого от температуры вклада ост. – остаточного сопротивления, и квадратичных по температуре «низкотемпературного» и «высокотемпературного» вкладов. Т.е. температурная зависимость (T) может быть представлена в виде:
(T) = ост. + A·T2 + B·T2 , (1)
где A и B – коэффициенты.
Квадратичную температурную зависимость сопротивления обычно связывают с электрон-электронным и/или с электрон-магнонным рассеянием [1]. Включение внешнего магнитного поля будет по-разному проявляться во вкладах в сопротивление от этих двух процессов рассеяния: вклад от электрон-электронного рассеяния должен возрастать вследствие ларморовского закручивания в магнитном поле, а вклад от электрон-магнонного должен уменьшаться вследствие магнитного упорядочения с полем. Из эксперимента были определены значения коэффициентов A и B. При B = 0 A1 = 6.6·10-11 Ohm·cm/K2 и B1 = 1.7 10-10 Ohm·cm/K2, а в поле B = 14 Тл A2 = 8.8·10-11 Ohm·cm/K2 и B2 = 1.6·10-10 Ohm cm/K2. Т.е. «низкотемпературный» квадратичный вклад (коэффициент A) возрастает с магнитным полем, а «высокотемпературный» квадратичный вклад (коэффициент B) уменьшается. Эти данные хорошо согласуются с температурной зависимостью магнитосопротивления. На вставке рис. 2 показана температурная зависимость магнитосопротивления xx в поле 14 Тл. Здесь xx = xx/0 = (xx – 0)/0, где xx – сопротивление в поле 14 Тл, а 0 – сопротивление без поля. Видно (рис. 2), что магнитосопротивление xx положительное, в области низких температур при Т = 4.2 K оно равняется 2 %. Затем с ростом температуры оно достигает максимума около 2.5 % при Т = 27 K, после чего уменьшается, становится равным нулю при Т = 80 K, а при Т = 100 К равно около – 0.2 %.
В работе [2], где также исследовали температурные зависимости электросопротивления (T) сплава Co2FeSi, сообщалось о том, что поведение (T) хорошо описывается формулой, содержащей экспоненциальный член exp (/T). Из экспериментальных данных авторами [2] была определена величина щели = 103 K, что на порядок величины меньше реального значения. Следует также отметить, что добавка в электросопротивление, возможно связанная с экспонентой, составляла в [2] всего лишь 1-3 %. Анализ наших экспериментальных данных показал, что экспоненциальный член в (T) отсутствует, а в «промежуточной» области температур от 35 K до 65 K можно выделить дополнительный вклад, пропорциональный Tn, где n > 4. Согласно работе [5], в ПМФ может наблюдаться зависимость (T) ~ Tn, где n = 9/2, как результат двухфононных процессов рассеяния, характерных для ПМФ. Однако для окончательных выводов требуются дальнейшие исследования.
Заключение
В результате изучения электро- и магнитосопротивления полуметаллического ферромагнитного сплава Гейслера Co2FeSi показано, что температурно-зависящая часть сопротивления содержит два квадратичных по температуре вклада. Если «низкотемпературный» вклад увеличивается с магнитным полем и может быть связан с электрон-электронным взаимодействием, то «высокотемпературный», напротив, уменьшается с полем и может быть объяснен магнитным упорядочением, т.е. связан с электрон-магнонным рассеянием. Однако для окончательного выяснения этих предположений требуются дальнейшие исследования.
Работа выполнена по плановому государственному заданию (тема «Спин» № 01201463330) при частичной поддержке Комплексной программы УрО РАН (проект № 15-17-2-12), молодежного проекта РФФИ (грант № 16-32-00072) и финансовой поддержке постановление № 211 Правительства Российской федерации, контракт № 02.A03.21.0006.