Для активно развивающихся в настоящий момент областей наноэлектроники и спинтроники требуются новые материалы, в которых можно задействовать не только заряд, но и спин электрона для создания спинового тока, использования направления спина в качестве единицы информации с последующей разработкой спиновых инжекторов или устройств с магнитными тунельными переходами, ячеек памяти [1, 2] и т.д. К таким материалам относится класс полуметаллических ферромагнетиков (ПМФ), в которых можно реализовать высокую поляризацию носителей заряда по спину. Главная особенность таких материалов – существование широкой энергетической щели в электронной зонной структуре для одной из спиновых подсистем [1]. В работе [3] был экспериментально определен коэффициент спиновой поляризации P = 0,93 для пленок Co2MnSi при комнатной температуре. Данное соединение относится к сплавам Гейслера – тройным соединениям типа X2YZ, где X и Y – переходные металлы, а Z – s- или p-элемент главной группы Периодической таблицы Менделеева, сформированным в структуре L21 [1]. Положение и ширина щели может варьироваться достаточно сильно в различных ПМФ. Эти параметры можно изменить варьированием 3d-, s- или p-элементов в сплавах Гейслера X2YZ, изменяя тем самым и их электронные и магнитные свойства. Особенности полуметаллического ферромагнетизма наблюдали в сплавах Гейслера на основе Co [4–6]. Одними из ярких представителей ПМФ с относительно высокими значениями температур Кюри TC из данных по теоретическим расчетам являются Co2VSi [7] и Co2MnSi [8]. Поскольку получение новой информации об их электронных и магнитных характеристиках представляет интерес, отсутствуют данные об эффекте Холла в этих сплавах, то целью данной работы стало экспериментальное исследование магнитных и гальваномагнитных свойств полуметаллических ферромагнитных сплавов Гейслера Co2VSi и Co2MnSi.
Материалы и методы исследования
Поликристаллические сплавы Co2VSi и Co2MnSi были приготовлены в индукционной печи в атмосфере очищенного аргона. Затем Co2VSi отжигался при 1100 °C в течение 3 дней с последующей закалкой, а Co2MnSi отжигался при 800 °С в течение 9 дней с последующим охлаждением до комнатной температуры. Элементный анализ проводили с использованием сканирующего электронного микроскопа, оснащенного приставкой рентгеновского микроанализа EDAX. Выявлено, что отклонение от среднего стехиометрического состава во всех образцах незначительно (не более 3 %), но в сплаве Co2VSi выделяется вторая фаза Co4V3Si3. Структурный анализ проводился в Центре коллективного пользования ИФМ УрО РАН. Полевые зависимости сопротивления Холла были выполнены при Т = 4,2 К в магнитных полях до 100 kOe по стандартной методике, которая подробно описана в работе [9]. Полевые зависимости намагниченности были измерены при T = 4,2 K и 300 К в магнитных полях до 70 kOe.
Результаты исследования и их обсуждение
Результаты измерений кривых намагничивания при Н ≤ 70 kOe, Т = 4,2 K и Т = 300 K в сплавах Гейслера Co2VSi и Co2MnSi приведены на рис. 1 и 2. Как видно, полевые зависимости намагниченности М(Н) всех образцов при Н ≥ 10 kOe приближаются к насыщению (кроме зависимости M(H) при Т = 300 К для Co2VSi). В этой области магнитных полей практически заканчивается процесс технического намагничивания и образцы переходят в однодоменное состояние. В случае зонной природы магнетизма рассматриваемых сплавов намагниченность здесь будет определяться в основном перестройкой электронной зонной структуры в магнитном поле [6]. В табл. 1 представлены значения намагниченности насыщения при температурах 4,2 К и 300 К.
Рис. 1. Полевые зависимости намагниченности сплавов Гейслера Co2VSi и Co2MnSi при T = 4,2 K
Рис. 2. Полевые зависимости намагниченности сплавов Гейслера Co2VSi и Co2MnSi при T = 300 K
Намагниченность насыщения сплава Co2MnSi близка к значению, полученному для соединения в работе [10] MS = 4,96 μB/f.u. Отклонения от значения можно объяснить тем, что в данной работе исследуются поликристаллические образцы, а в работе [10] исследовался монокристалл. В случае сплава Co2VSi, наблюдаются значительные отклонения от теоретического значения намагниченности насыщения [11] MS = 2,97 μB. В работе [12] говорится, что в сплаве, близком к стехиометрическому Co2VSi, Co63.5V17.0Si19.5 при температурах отжига выше 800 °С происходит переход структуры из L21 в A12. Поэтому можно предположить, что низкие значения намагниченности связаны с наличием второй фазы Co4V3Si3.
Для получения информации о носителях тока в сплавах Co2VSi и Co2MnSi был исследован эффект Холла. Поэтому при Т = 4,2 К и Н ≤ 100 kOe были измерены полевые зависимости холловского сопротивления ρН(Н) (рис. 3). Видно, что общий вид зависимостей ρН(Н) аналогичен зависимостям кривых намагничивания М(Н), представленным на рис. 1: наблюдаются два интервала магнитных полей до и после 10 kOe.
Поскольку при низких температурах сплавы находятся в ферромагнитном состоянии, то в них должен наблюдаться как нормальный, так и аномальный эффект Холла. Для разделения составляющих коэффициента Холла была использована следующая формула [9]:
(1)
где ρН – сопротивление Холла, M – намагниченность, H – напряженность магнитного поля, R0 и RS – коэффициенты нормального и аномального эффекта Холла, соответственно. На рис. 4 представлены зависимости ρН/H = f(M/H), из которых определены коэффициенты R0 и RS.
Таблица 1
Намагниченности насыщения MS сплавов Гейслера Co2VSi и Co2MnSi
Сплав |
MS (T = 4.2 K), emu/g |
MS (T = 4.2 K), μB/f.u. |
MS (T = 300 K), emu/g |
MS (T = 300 K), μB/f.u. |
Co2VSi |
6 |
0,21 |
– |
– |
Co2MnSi |
114 |
4,11 |
89 |
3,2 |
Рис. 3. Полевые зависимости сопротивления Холла сплавов Гейслера Co2VSi и Co2MnSi при T = 4,2 K
Рис. 4. Зависимости ρH/H = f(M/H) для сплавов Co2VSi и Co2MnSi при T = 4,2 K
Таблица 2
Электросопротивление ρ, коэффициенты нормального R0 и аномального Rs эффекта Холла, тип носителей заряда, их концентрация n и подвижность μ сплавов Co2VSi и Co2MnSi (при Т = 4,2 К)
Сплав |
ρ, mΩ•cm (T = 4.2 K) |
R0, 10-4 cm3/C |
Rs, 10-2 cm3/C |
Основной тип носителей заряда |
Концентрация носителей заряда, n, см-3 |
Подвижность носителей заряда μ, см2/(В•с) |
Co2VSi |
0,294 |
–1,21 |
29 |
электроны |
5×1022 |
0,4 |
Co2MnSi |
0,016 |
–1,50 |
0,04 |
электроны |
4×1022 |
9,7 |
Коэффициент нормального эффекта Холла R0 в однозонной модели можно определить как (2) и/или (3):
(2)
где n – число носителей тока, с – скорость света, е – заряд электрона.
(3)
где μ – подвижность носителей заряда, ρ – электросопротивление. Тогда, определив из эксперимента значения R0 и ρ, можно оценить значения концентрации носителей заряда n, а также их подвижность μ. Результаты представлены в табл. 2.
Как видно из табл. 2, основными носителями заряда в исследованных сплавах являются электроны со значениями концентраций, характерных для типичных металлов. Коэффициенты нормального R0 и аномального RS эффектов Холла имеют противоположные знаки, а значения R0 и RS сплава Co2VSi различаются на три порядка. Необходимо отметить, что все измерения в данной работе были выполнены на поликристаллических образцах. Поэтому полученные оценки подвижностей носителей заряда являются качественными, позволяющими, однако, судить о порядке величины m.
Заключение
Таким образом, были исследованы полевые зависимости намагниченности и сопротивления Холла полуметаллических ферромагнитных сплавов Гейслера Co2VSi и Co2MnSi. Получены новые экспериментальные данные об их электронных характеристиках, т.е. определен основной тип носителей тока, сделаны оценки величины их концентраций и подвижностей, которые оказались типичными для металлов и при Т = 4,2 K равны: n = 5×1022 см-3 и μ = 0,4 см2/(В•с) для сплава Co2VSi, n = 4×1022 см-3 и μ = 9,7 см2/(В•с) для сплава Co2MnSi.
Работа выполнена в рамках государственного задания РФ (тема «Спин», № АААА-А18-118020290104-2) при частичной поддержке Комплексной программы УрО РАН (проект № 18-10-2-37), РФФИ (проект № 18-32-00686) и Правительства Российской Федерации (постановление № 211, контракт № 02.A03.21.0006).
Библиографическая ссылка
Перевозчикова Ю.А., Семянникова А.А., Доможирова А.Н., Коренистов П.С., Чистяков В.В., Емельянова С.М., Марченков В.В. МАГНИТНЫЕ И ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ПОЛУМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ CO2VSI И CO2MNSI // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2019. – № 10-1. – С. 198-201;URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=12893 (дата обращения: 17.08.2024).