Эффект Холла в NDB6

Среди боридов редкоземельных элементов особо выделяются соединения на основе каркасных структур из нанокластеров бора B 6 иB 12 . В данной работе рассматривается класс гексаборидов редкоземельных элементов RB 6 . В зависимости от заполнения 4 f — и валентных 5 d — и 6 s -оболочек, а также степени их гибридизации соединения данного класса характеризуются диэлектрическим (SmB 6 [1]), полуметаллическим (EuB 6 [2]) или металлическим (RB 6 ,R= Pr, Nd [3]) типом проводимости с различным характером магнитного упорядочения. В частности, исследуемый в работе гексаборид неодима (NdB 6 ) переходит в АФМ состояние ниже температуры Нееля T N ∼ 8 К [4]. Однако теоретические оценки спектра магнитных возбуждений в NdB 6 [5] указывают на наличие в этом соединении заметного ферроквадрупольно-го взаимодействия, которое, как правило, приводит к более сложному виду магнитной фазовой диаграммы. Для получения дополнительной информации о характеристиках носителей заряда в работе проведён цикл измерений транспортных свойств NdB 6 в интервале температур 2 К  300 К в магнитных полях до 8 Тл.

II.    Методика эксперимента

Исследуемые в работе монокристаллы гексаборида неодима выращены в институте проблем материаловедения НАНУ методом вертикального бестигельного индукционного зонного плавления с многократным переплавом в атмосфере аргона. Контроль качества образцов осуществлялся при помощи рентгеноструктурного и микрозондового анализа. Подготовка образцов к измерениям эффекта Холла включала электроэрозионную резку и последующую шлифовку. Особое внимание уделялось удалению поверхностного слоя, нарушенного в результате электроэрозионной и механической обработок, для чего после шлифовки образцов проводилось химическое травление поверхности в водном растворе азотной кислоты.

Измерения эффекта Холла осуществлялись на установке для гальваномагнитных измерений, аналогичной использовавшейся в [6]. Высокая точность стабилизации температуры (Δ T ∼ 0 , 01 К–0 , 02 К) и магнитного поля (около 10 ^{- 5} при 8 Тл), необходимая для прецизионных исследований характеристик зарядового транспорта, достигалась благодаря использованию оригинального температурного контроллера на цифровых сигнальных процессорах (CRYOTEL, ТС 1 , 5 / 300) в схеме с эталонным термометром модели CE RN OX -1050 и источника тока сверхпроводящего магнита (CRYOTEL, SMPS -120). Измерения малых напряжений с потенциальных контактов к образцу осуществлялись благодаря использованию двухканальных нановольтметров Keythley (США) модели 2182. Для уменьшения влияния паразитных термоэдс и других наводок измерения проводились на постоянном токе в режиме коммутации измерительного тока через образец. Сбор и обработка экспериментальных данных, а также управление параметрами и режимами работы устройств и блоков осуществлялись системой регистрации и управления на базе микропроцессорного устройства, связанного с персональным компьютером.

Рис. 1. Угловые зависимости холловского сопротивления R h ( ^ ) в АФМ (а, в) и ПМ (б, г) фазах NdB6 в магнитных полях ^ о H = 4 Тл (а, б) и ^ о H = 7 , 8 Тл (в, г) соответственно. Линии соответствуют вкладам первой гармоники (сплошная), второй гармоники (пунктирная с точкой) и суммы первой и второй гармоник (пунктирная). На нижней панели (б) приведена схема вращения образца в магнитном поле

III.    Результаты и дискуссия

Полученные угловые зависимости холловского сопротивления R h ( у ) для антиферромагнитной и парамагнитной фаз NdB 6 представлены на рис. 1а, 1б (в поле ц о H = 4 Тл) и рис. 1в, 1г (в поле ц о H = 7 , 8 Тл) соответственно. В отличие от гексаборида церия, для которого угловые зависимости R h ( у ) анализировались с учётом вклада второй гармоники R h ( у ) = R h о + R h 1 cos ( у ) + + R h 2 cos 2 ( у — Д у ) (где R h — сопротивление холловских контактов, ϕ — угол между магнитным полем и нормалью к поверхности образца, Д у — разность фаз первой и второй гармоник) [7], в исследуемом NdB 6 R h ( у ) описывается простым гармоническим законом R h ( у ) = R h о + R h 1 cos ( у ) в области температур 2 К < T <  300 К в полях ц о H ^ 4 Тл. Однако вклад второй гармоники R _h 2 cos 2 ( у — Д у ) становится заметен в АФМ фазе в области магнитных полей ц о H ^ 4 Тл (рис. 1в), что, тем не менее, не усложняет анализ коэффициента Холла в NdB 6 .

Согласно используемой экспериментальной схеме, Rh вычисляется из соотношения Rh = = Rh 1 • d/H, где d — толщина образца. На рис. 2а представлена температурная зависимость коэффициента Холла для гексаборида неодима. Оказалось, что коэффициент Холла в NdB6 слабо за- висит от температуры (Rh ~ — 3,7 • 10-4 см3/К), обнаруживая небольшую особенность (~ 8%) в виде широкого минимума в окрестности температур T ~ 40 К-70 К. При этом переход в АФМ фазу при температуре Нееля Tn ~ 7,7 К приводит к резкому уменьшению значений RH до величины RH 4,5 • 10-4 см3/К при T = 2,5 К (рис. 2а). Заметим, что в пределах экспериментальной погрешности найденные значения RH согласуются с результатами исследования RH [3], но оказываются более точными.

Также в работе оценена холловская подвижность цн = RH/ р (рис. 2б). Установлено, что цн растёт с понижением температуры, достигая максимального значения цн (NdB6) « 700 см2/(В • с). При этом в области промежуточных и высоких температур 50 К < T < 300 К зависимость цн(T) описывается степенным законом T-а с показателем степени a(NdB6) « 0,6. Схожее поведение наблюдается и у немагнитного аналога NdB6 — гексаборида лантана (LaB6). Однако максимальное значение холловской подвижности оказывается в нём существенно больше цн (LaB6) ~ 21 000 см2/(В• с). Более того, в случае LaB6 высокотемпературное поведение цн (T) также описывается степенным законом, но величина показателя степени a(NdB6) « 1,5 значительно превосходит значение, найденное для NdB6 .Таким образом, сопоставляя максимальные значе- ния холловской подвижности и показателей степени а для магнитного NdB6 и немагнитного LaB6, а также основываясь на результатах анализа магнитосопротивления и данных по исследованию коэффициента теплопроводности и результатов ЯМР из работ [8, 9], можно сделать вывод о значительном усилении магнитного рассеяния электронов проводимости на 4/-центрах Nd3+ в области температур T < 20 К.

Рис. 2. Температурные зависимости (а) коэффициента Холла R H ( T ) и (б) холловской подвижности ^ H ( T ) в NdB6 . На панели (б) сплошной линией представлен результат аппроксимации зависимостью вида T ^{- α}

IV.    Заключение

Подводя итог, укажем, что в работе выполнены подробные измерения коэффициента Хол- ла гексаборида неодима в области температур 2 К < T < 300 К, в полях до 8 Тл. Сопоставление найденных значений коэффициента Холла и холловской подвижности с данными для немагнитного гексаборида лантана (LaB6) указывает на значительное усиление магнитного рассеяния электронов проводимости на 4 f -центрах Nd3+.