Магнитные свойства твердых растворов Mn1-xGdxSe

В космической отрасли микроэлектроника должна работать в экстремальных условиях. Малые космические аппараты находятся на околоземной орбите, где температура меняется от 180 до 400 К и электроника должна функционировать при этих температурах, поэтому повышен интерес к магнитным полупроводникам, способным работать в широком диапазоне температур. В магнитных полупроводниках транспортные свойства зависят от магнитной структуры [1–6]. Корреляция намагниченности и проводимости детально исследовалась теоретически и экспериментально в манганитах [7–11]. Магнитные характеристики зависят от упругой системы, и при некоторых критических параметрах магнитная структура кардинально меняется [12–16]. Дальний магнитный порядок зависит от размерности системы [17–20]. В сульфидах марганца, замещенных 3d элементами, меняется магнитная структура [21–23]

В связи с этим, представляет интерес синтез, изучение магнитных свойств в зависимости от химического состава, температуры, магнитного поля твердых растворов при катионном замещении в системе Mn_1–xGd_xSe. Моноселенид марганца – антиферромагнетик и полупроводник р- типа [24]. Предполагалось, что замещение катионов марганца ферромагнитным металлом Gd в твердых растворах может создать условия для проявления ферромагнитных свойств. При сохранении полупроводниковых свойств основной матрицы MnSe создается возможность для перехода от антиферромагнитного полупроводника р -типа к ферромагнитному полупроводнику с проводимостью n -типа. Цель настоящей работы – синтез твердых растворов в квазибинарном разрезе MnSe – GdSe, изучение особенностей их кристаллической структуры, а также магнитных характеристик твердых растворов в зависимости от состава и температуры.

Синтез твердых растворов Mn1–xGdx Se и методы эксперимента

Образцы твердых растворов Mn1–xGdxSe синтезированы методом твердофазных реакций. Моноселениды марганца и гадолиния синтезированы из порошков исходных химических элементов: electrolytic manganese metal (99,6 %); gadolinium (–40mesh, 99 % metals basis) Aldrich chemistry; селен элементарный (осч. 17–4). На основе базовых соединений MnSe и GdSe синтезированы твердые растворы Mn1-xGdxSe составов х = 0,05; 0,1; 0,15 и 0,5. Синтез осуществлен в условиях вакуума 10–2 Па. Продукты первичного синтеза подвергались тщательному измельчению в порошки. Под давлением сформированы таблетки для гомогенизирующего отжига при 1370 К. После двухчасовой выдержки продукты синтеза закалялись в холодной воде. На завершающем этапе получены однородные прочные слитки серовато-серебристого цвета. Рентгенофазовый анализ синтезированных твердых растворов системы Mn1–xGdxSe выполнен в Cu-Kα-излучении в режиме измерений по точкам: шаг сканирования по углу Δ2θ = 0,03 degree, время набора информации в точке отсчета Δτ = 3 с. Температурные зависимости удельной магнитной восприимчивости изучены пондеромоторным методом в магнитном поле с индукцией В = 0,86 Тесла и интервале температур ~80 ≤ Т ≤ 950 К [25–26]. Погрешность измерения магнитной восприимчивости образца известной массы – Δχ ±1^10–11 м3^кг–1. Погрешность измерения удельной намагниченности, отнесенной к массе измеряемого образца, составляет Δσ ± 0,005 А^м2^кг–1.

Результаты эксперимента

Синтезированы соединения MnSe, GdSe и твердые растворы Mn 0.95 Gd 0.05 Se, Mn 0.9 Gd 0.1 Se, Mn 0.85 Gd 0.15 Se. На рентгенограммах твердых растворов на основе MnSe рефлексы индицируются исходя из кубической ячейки пространственной группы Fm3m. По результатам рентгенографических исследований определены величины параметра а элементарной кристаллической ячейки твердых растворов системы Mn 1–x Gd x Se. Зависимость a = f ( x ) представлена на рис. 1.

а, пт

0.575

0.570

0,565

0,560

0.555

0,550

0,545

0,540

0,575

0,570

0,565

0.560

0,555

0.550

0,545

0,540

0,0       0,2       0,4       0,6       0,8       1,0

Concentration, x

Рис. 1. Параметр а элементарной кристаллической ячейки твердых растворов системы Mn_1–xGd_xSe от концентрации

Fig. 1 Parameter a of the elementary crystal cell of solid solutions of the Mn_1–xGd_xSe system from the concentration

Результаты измерений температурной зависимости магнитной восприимчивости 10^–2/χ = f(T) твердых растворов Mn 0.95 Gd 0.05 Se, Mn 0.9 Gd 0.1 Se, и соединения GdSe приведены на рис. 2 – рис. 5. С увеличением содержания гадолиния от х = 0,05 до х = 0,15 температура Нееля твердых растворов уменьшается от значения Т_N = 120 К у Mn_0.95Gd_0.05Se до Т_N = ~100 К у Mn_0.85Gd_0.15Se. Следует отметить, что прогрев твердых растворов до температуры ~900 К не приводит к необратимым изменениям величины магнитной восприимчивости, поскольку ход зависимостей 10^–2/χ = f ( T ) при измерениях в режиме «нагрев – охлаждение» идентичен. Выявленная особенность имеет практическое значение.

Магнитная восприимчивость твердых растворов увеличивается с ростом содержания в них гадолиния. Увеличение содержания гадолиния в твердых растворах приводит к уменьшению температуры Нееля от TN~135 К у MnSe до TN~90 К в Mn0.85Gd0.15Se.

Рис. 2. Обратная магнитная восприимчивость Mn0.95Gd0.05Se от температуры

Рис. 3. Обратная магнитная восприимчивость Mn0.9Gd0.1Se от температуры

Fig. 2. Inverse magnetic susceptibility Mn0.95Gd0.05Se from temperature

Fig. 3. Reverse magnetic susceptibility Mn0.9Gd0.1Se from temperature

Рис. 4. Обратная магнитная восприимчивость Mn0.85Gd0.15Se от температуры

Рис. 5. Обратная магнитная восприимчивость антиферромагнетика GdSe от температуры

Fig. 4. Reverse magnetic susceptibility Mn0.85Gd0.15Se from temperature

Fig. 5. Inverse magnetic susceptibility of the GdSe antiferromagnet to temperature

Парамагнитная температура Кюри – Вейсса также уменьшается с ростом концентрации от θ eff ≈ |–200| K для х = 0 до θ eff ≈ |–90| K для х = 0,15 в твердых растворах Mn 0.1–х Gd х Se. Используя tgα угла наклона к оси температур прямолинейной части зависимости 10^–2/χ = f ( T ), определена величина магнитного момента твердых растворов. Увеличение содержания гадолиния в твердых растворах приводит к увеличению магнитного момента.

Заключение

Синтезированы твердые растворы в системе Mn 1-x Gd x Se (0 ≤ х ≤ 0,5). Опираясь на зависимость изменения параметра а элементарной кубической кристаллической ячейки от концентрации a = f ( x ), можно считать, с некоторой погрешностью, что непрерывные твердые растворы в этой системе при используемом режиме синтеза существуют в области концентраций (0 ≤ х < 0,2). Изучены температурные зависимости магнитной восприимчивости твердых растворов Mn 0.95 Gd 0.05 Se, Mn 0.9 Gd 0.1 Se, Mn 0.85 Gd 0.15 Se и соединения GdSe. Установлено:

• а)    с увеличением содержания гадолиния температура Нееля твердых растворов уменьшается от значения Т N = 135 К у Mn 0.95 Gd 0.05 Se до Т N = ~100 К у Mn 0.85 Gd 0.15 Se;

• б)    магнитная восприимчивость твердых растворов увеличивается с ростом содержания в них гадолиния;

• в)    ход зависимостей 10 -// = f(T) идентичен при измерениях в режиме «нагрев - охлаждение» в интервале температур ~80–900 К;

• г)    магнитный момент твердых растворов увеличивается с увеличением содержания ферромагнитной компоненты Gd.