Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,580

МАГНИТНЫЕ И ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ПОЛУМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ CO2VSI И CO2MNSI

Перевозчикова Ю.А. 1 Семянникова А.А. 1 Доможирова А.Н. 1 Коренистов П.С. 1, 2 Чистяков В.В. 1 Емельянова С.М. 1 Марченков В.В. 1, 2
1 Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН
2 Уральский федеральный университет
Cплавы Гейслера Co2VSi и Co2MnSi являются типичными представителями полуметаллических ферромагнетиков, которые являются перспективными магнитными материалами для их возможного применения в приборах и устройствах спинтроники, так как в них может быть реализована высокая спиновая поляризация носителей заряда. Для получения новой информации об их электронных и магнитных характеристиках в данной работе были синтезированы поликристаллические сплавы Гейслера Co2VSi и Co2MnSi и экспериментально исследованы их магнитные и гальваномагнитные свойства: полевые зависимости намагниченности при Т = 4,2 К и 300 К в магнитных полях до 70 kOe и полевые зависимости эффекта Холла при T = 4,2 K и в магнитных полях до 100 kOe. Используя разработанный авторами ранее метод по совместному измерению намагниченности и холловского сопротивления, были получены значения нормального и аномального коэффициентов Холла и установлено, что основным типом носителей тока в обоих сплавах являются электроны. Сделанные при Т = 4,2 K оценки концентрации и подвижности носителей заряда показали, что их значения являются типичными для металлов.
полуметаллический ферромагнетик
Co2VSi
Co2MnSi
эффект Холла
намагниченность
1. Graf T., Felser C., Parkin S.S.P. Simple rules for the understanding of Heusler compounds // Progress in Solid State Chemistry. 2011. V. 39. P. 1. DOI: 10.1016/j.progsolidstchem.2011.02.001.
2. Fetzer R., Stadtmuller B., Ohdaira Y., Naganuma H., Oogane M., Ando Y., Taira T., Uemura T., Yamamoto M., Aeschlimann M., Cinchetti M. Probing the electronic and spintronic properties of buried interfaces by extremely low energy photoemission spectroscopy. Scientific reports. 2015. V.5. P. 8537. DOI: 10.1038/srep08537.
3. Jourdan M., Minar J., Braun J., Kronenberg A., Chadov S., Balke B., Gloskovskii A., Kolbe M., Elmers H.J., Schonhense G., Ebert H., Felser C., Klaeui M. Direct observation of half-metallicity in the Heusler compound Co2MnSi. Nature communications. 2014. V.5. P. 3974. DOI: 10.1038/ncomms4974.
4. Yin M., Chen S., Nash P. Enthalpies of formation of selected Co2YZ Heusler compounds. Journal of Alloys and Compounds. 2013. V. 577. P. 49–56. DOI: 10.1016/j.jallcom.2013.04.136.
5. Bombor D., Blum C.G.F., Volkonskiy O., Rodan S., Wurmehl S., Hess C., Buchner B. Half-metallic ferromagnetism with unexpectedly small spin splitting in the Heusler compound Co2FeSi. Physical Review Letters. 2013. V. 110. Iss. 6. P. 066601. DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.066601.
6. Коуров Н.И., Марченков В.В., Перевозчикова Ю.А., Королев А.В., Weber H.W. Высокополевая намагниченность зонных ферромагнетиков Co2YAl (Y = Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni) // Физика твердого тела. 2016. Т. 58. С. 2346–2349.
7. Rai D.P., Sandeep, Shankar A., Sakhya A.P., Sinha T.P., Khenata R., Ghimire M.P., Thapa R.K. Electronic and magnetic properties of X2YZ and XYZ Heusler compounds: a comparative study of density functional theory with different exchange-correlation potentials. Materials Research Express. 2016. V.3. P. 075022.
8. Abderrahim B., Ameri M., Bensaid D., Azaz Y., Doumi B., Al-Douri Y., Benzoudji F. Half-metallic magnetism of quaternary Heusler compounds Co2FexMn1-xSi (x = 0,0.5, and 1.0): first-principles calculations. Journal of Superconductivity and Novel Magnetism. 2016. V. 29. P. 277–283. DOI: 10.1007/s10948-015-3277-1.
9. Коуров Н.И., Марченков В.В., Белозерова К.А., Weber H.W. Гальваномагнитные свойства сплавов Гейслера Fe2YZ (Y = Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni; Z = Al, Si) // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2015. V. 148. P. 966. DOI: 10.7868/S0044451015110127.
10. Brown P.J., Neumann K.U., Webster P.J., Ziebeck  K.R.A. The magnetization distributions in some Heusler alloys proposed as half-metallic ferromagnets. Journal of Physics: Condensed Matter. 2000. V. 12. P. 1827–1835. DOI: 10.1088/0953-8984/12/8/325.
11. Bentouaf A., Hassan F.E.H. Structural, electronic, magnetic and thermodynamic properties of full-Heusler compound Co2VSi: Ab initio study. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2015. V. 381. P. 65–69.
12. Jiang H., Xu X., Omori T., Nagasako M., Ruan J., Yang S., Wang C., Liu X., Kainuma R. Martensitic transformation and shape memory effect at high temperatures in off-stoichiometric Co2VSi Heusler alloys. Materials Science and Engineering A. 2016. V. 676. P. 191–196. DOI: 10.1016/j.msea.2016.08.083.

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.

PEREVOIK1.wmf

Рис. 1. Полевые зависимости намагниченности сплавов Гейслера Co2VSi и Co2MnSi при T = 4,2 K

PEREVOIK2.wmf

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]:

perev01.wmf (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

 

perevoz3.wmf

Рис. 3. Полевые зависимости сопротивления Холла сплавов Гейслера Co2VSi и Co2MnSi при T = 4,2 K

perevoz4.wmf

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):

perev02.wmf (2)

где n – число носителей тока, с – скорость света, е – заряд электрона.

perev03.wmf (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: 21.09.2020).

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