Регулирование проводимости в SmxMn1–xS магнитным полем и током

Электроника в космических аппаратах управляет системами жизнеобеспечения, навигации, связи, питания и управления полезной нагрузкой. Микросхемы в бортовых компьютерах сделаны из полупроводников. Для записи и считывания информации в полевых транзисторах используется заряд электрона. На околоземной орбите радиация увеличивается, особенно в период солнечных вспышек возрастает поток высокоэнергетических частиц и гамма-излучения [1; 2]. Это приводит к дефектам в полупроводниковых транзисторах и выходу из строя электронных приборов. Поэтому актуальной становится задача замены полевых транзисторов спинтроникой, в которой используется спиновая степень свободы электрона.

Манипулировать транспортными характеристиками можно под действием магнитного поля [3–6]. За эффект магнитосопротивления – изменение сопротивления под действием внешнего магнитного поля – присуждена Нобелевская премия [7; 8]. В полупроводниках существует несколько механизмов магнитосопротивления [9; 10]. В зависимости от материала проводимость можно увеличить или уменьшить в магнитном поле. Под действием магнитного поля меняется магнитная структура и в результате обменного взаимодействия с локализованными спинами меняется подвижность носителей заряда. Например, в манганитах магнитосопротивление растет в окрестности магнитного фазового перехода и уменьшается в антиферромагнетиках в окрестности температуры Нееля [11; 12]. Это связано с образованием ферромагнитных капель (ферронов) при слабом легировании антиферромагнетика и ферромагнитных спиновых поляронов в парамагнетике [13; 14]. В парамагнитной области возможна смена знака магнитосопротивления по магнитному полю в двухзонной модели, когда под действием магнитного поля меняется отношение заселенностей зоны проводимости и примесной зоны [15]. В отсутствие магнитного порядка перестройка электронной структуры может быть вызвана орбитальными магнитными моментами [16–18].

Регулировать транспортные характеристики можно за счет упругих деформаций, это направление относится к стрейнтронике [19]. Особое внимание уделено стрейнтронике магнитных материалов в связи с большим снижением энергопотребления при записи и считывании информации. Эти материалы наиболее устойчивы к радиационному облучению, так как деформация в меньшей степени зависит от дефектов. Под действием механических деформаций модифицируется зонная структура полупроводника в результате взаимодействия упругого калибровочного поля с фермионами [20]. Наиболее ярко это проявляется в халькогенидах квазидвумерных материалах MoS2 [21], PdS2 [22]. Другим механизмом стрейнтроники являются гетероструктуры из магнитного слоя, анизотропия которого задается деформацией подложки. При деформации подложки меняется анизотропия и соответственно направление спина электрона. В этом случае энергия переключения запоминающих стрейнтронных устройств будет меньше 1 кДж [23].

В халькогенидах марганца, замещенных редкоземельными элементами переменной валентности, за счет электрон-решеточного взаимодействия можно менять положение 4f-уровня относительно зоны проводимости и регулировать транспортные характеристики [24–26]. Магнитная структура в полупроводниках зависит также от спин-фононного взаимодействия и при определенных параметрах взаимодействия возникает щель в спектре спиновых возбуждений, меняется тип магнитного упорядочения [27; 28]. В сульфиде самария электронная структура очень чувствительна к внешнему давлению [29–31].

Цель работы – установить возможность регулирования проводимостью под действием внешнего магнитного поля при разных значениях токов на сульфид марганца, замещенного самарием.

Материалы и методы

Образцы Sm_xMn_1-xS приготовлены твердофазным синтезом. Кристаллическая структура синтезированных образцов исследовалась при комнатной температуре на рентгеновской установке ДРОН-3 с использованием Cu K _α -излучения в режиме набора информации «по точкам». Согласно рентгеноструктурному анализу, тип решетки ГЦК соответствует NaCl (рис. 1).

Образец в форме параллелепипеда размером 2×3×5 мм помещался между медными пластинами (2), которые изолировались слюдой 1 от вставки криостата. Образец с контактами из меди 2 прижимался стальной пружиной 3 , как изображено на рис. 2. Магнитное поле прикладывалось под углом к току, угол менялся в интервале 0–360° (рис. 2).

Рис. 1. Рентгенограмма твердого раствора SmxMn1–xS с х = 0,1

Рис. 2. Схема экспериментальной ячейки

Fig. 2. The scheme of the experimental cell

Fig. 1. X-ray diffraction pattern of the Sm x Mn 1–x S solid solution with x = 0.1

Магнитопроводимость определялась из вольт-амперных характеристик, измеренных при фиксированных температурах, на образце в виде параллелепипеда с омическими контактами в диапазоне температур 80–400 К, в магнитных полях до 12 кЭ. Электросопротивление измерено на приборе Agilent 34410A.

Результаты и обсуждения

Влияние магнитного поля на проводимость установим из угловой зависимости проводимости от магнитного поля, частота вращения которого составляет 0,02 Гц. На рис. 3 представлена зависимость G(α) для трех значений магнитного поля Н = 0, 6 и 12 кЭ. Проводимость остается постоянной в отсутствие магнитного поля. При включении магнитного поля и вращении наблюдается изменение проводимости. В магнитном поле проводимость уменьшается и достигает минимума в интервале углов 50–140° и 220–300°. При нагревании изменение проводимости (G(Н)–G(0))/G(0) растет от 20 % при 80 К, 62 % при 100 К, 148 % при 120 К, 1067 % при 140 К и 647 % при 160 К. Проводимость уменьшается на порядок в окрестности магнитного фазового перехода ТN = 140 К [32]. В поле 12 кЭ проводимость меняется сильнее, чем в H = 6 кЭ.

Гигантский эффект магнитопроводимости может быть обусловлен двумя факторами. При вращении магнитного поля в медных пластинах, являющихся контактами, наводится ЭДС индукции εin(max) = ωBS, где ω – частота переменного магнитного поля, B – магнитная индукция, S – площадь. Порядок величины εin(max) ~ 1 мкВ, если магнитная индукция перпендикулярна плоскости контактов и стремится к нулю, когда индукция направлена вдоль поверхности образца. Сопротивление образца меняется от температуры в пределах 103–104 Ом, ток измерения 10–5 А, поэтому падение напряжение на образце на четыре порядка больше индуцируемой ЭДС индукции.

6,2

6,0

2 SR и 5,8

6,0

5,5

■ и 5,0

5,6

5,4

5,2

5,0

0    60    120   180   240   300   360

0    60   120   180   240   300   360

Q 4,5 и 4,0 3,5 3,0

Рис. 3. Проводимость в зависимости от угла поворота магнитного поля в образце Sm_xMn_1–xS с концентрацией x = 0,1 без магнитного поля H = 0 ( 1 ) и в магнитных полях

H = 12 кЭ ( 2 ), H = 6 кЭ ( 3 ) при T = 80 К ( a ); 100 К ( б ); 120 К ( в ); 140 К ( г ); 160 К ( д )

Fig. 3. Conductivity versus the rotation angle of the magnetic field in the Sm_xMn_1–xS sample with a concentration of x = 0.1 without a magnetic field H = 0 ( 1 ) and in magnetic fields H = 12 kOe ( 2 ), H = 6 kOe ( 3 ) at T = 80 K ( a ); 100 K ( б ); 120 K ( в ); 140 K ( г ); 160 K ( д )

Второй механизм может быть связан с магнитострикцией стальной пружины. Отличие продольной и поперечной магнитострикции пружины может вызвать изменение давления на медную пластину и электросопротивления. Чтобы исключить динамические процессы, проведем измерение вольт-амперных характеристик без поля и в магнитном поле при разных ориентациях.

0,002

0,001

5 0,000

-0,001

-0,002

-5

U, В

U, В

Рис. 4. I–V характеристика в образце SmxMn1–xS с концентрацией x = 0,1:

а – без магнитного поля H = 0 ( 1 , 4 , 7 , 10 ) и в магнитном поле H = 12 кЭ для 270° ( 2 , 5 , 8 , 11 )

и для 360° ( 3 , 6 , 9 , 12 ) при T = 80 К ( 1 , 2 , 3 ), 120 К ( 4 , 5 , 6 ), 160 К ( 7 , 8 , 9 ), 200 К ( 10 , 11 , 12 );

б – без магнитного поля H = 0 ( 1 , 3 , 5 , 7 , 9 , 11 , 13 , 15 ) и в магнитном поле H = 12 кЭ для 270° ( 2 , 6 , 10 , 14 )

и для 360° ( 4 , 8 , 12 , 16 ) при T = 240 К ( 1 , 2 , 3 , 4 ), 280 К ( 5 , 6 , 7 , 8 ), 320 К ( 9 , 10 , 11 , 12 ), 390 К ( 13 , 14 , 15 , 16 )

Fig. 4. I–V characteristic in SmxMn1–xS sample with a concentration of x = 0.1:

a – without a magnetic field H = 0 ( 1 , 4 , 7 , 10 ) and in a magnetic field H = 12 kOe for 270° ( 2 , 5 , 8 , 11 ) and for 360° ( 3 , 6 , 9 , 12 ) at T = 80 K ( 1 , 2 , 3 ), 120 K ( 4 , 5 , 6 ), 160 K ( 7 , 8 , 9 ), 200 K ( 10 , 11 , 12 );

б – without a magnetic field H = 0 ( 1 , 3 , 5 , 7 , 9 , 11 , 13 , 15 ) and in a magnetic field H = 12 kOe for 270° ( 2 , 6 , 10 , 14 ) and for 360° ( 4 , 8 , 12 , 16 ) at T = 240 K ( 1 , 2 , 3 , 4 ), 280 K ( 5 , 6 , 7 , 8 ), 320 K ( 9 , 10 , 11 , 12 ), 390 K ( 13 , 14 , 15 , 16 )

На рис. 4 представлены вольт-амперные характеристики в образце SmxMn1–xS с концентрацией x = 0,1 без магнитного поля H = 0 и в магнитном поле H = 12 кЭ, направленном по току и перпендикулярно току. Зависимость тока от напряжения не является линейной. Слабая нелинейность связана с электрически неоднородным состоянием в образце. Из вольт-амперных характеристик найдена зависимость изменения проводимости в магнитном поле от напряжения внешнего электрического поля, изображенного на рис. 5.

Из вольт-амперных характеристик найдена анизотропия магнитопроводимости. Проводимость увеличивается в магнитном поле, если поле направлено перпендикулярно току, и зависит от тока или напряжения в магнитоупорядоченной области. Проводимость уменьшается в магнитном поле вдоль тока и наблюдается тенденция к уменьшению магнитопроводимости при увеличении тока. С ростом напряжения магнитопроводимость уменьшается на 30 % при 80 К, 100 К и на 7 % при 120 К. В SmxMn1–xS в антиферромагнитной области существует тенденция исчезновения влияния магнитного поля на проводимость с увеличением тока. Выше температуры Нееля проводимость увеличивается в магнитном поле в интервале 140 К < T < 190 К независимо от направления магнитного поля, но анизотропия величины (G(Н)–G(0))/G(0) сохраняется. Нагрев образца выше 190 К уменьшает проводимость в магнитном поле и достигает максимального изменения при 200 К. Так проводимость уменьшается на 250 % при 200 К и на 150 % при 220 К, на 96 % при 240 К. Выше комнатной температуры проводимость уменьшается на несколько процентов за счет Холловского вклада. В области температуры 220 К анизотропия магнитопроводимости при токе 1 мА практически исчезает. Нагрев и увеличение тока приводят к уменьшению магнитопроводимости. Возможно, существует критический ток, при котором исчезает зависимость проводимости от магнитного поля.

0,5

0,0

-0,5

0,02

0,00

о

-1

о

и

-5

U, В в 0

6     -0,02

-5

-3

-0,08

1 @ -0,04

-0,06

-5

U, В

U, В

Рис. 5. Магнитопроводимость в поле H = 12 кЭ в зависимости от электрического напряжения в образцах Sm x Mn 1–x S с концентрацией x = 0,1 для 0° ( 1 , 3 , 5 , 7 ) и 90° ( 2 , 4 , 6 , 8 ) при T = 80 К ( 1 , 2 ), 100 К ( 3 , 4 ), 120 К ( 5 , 6 ) ( a ); при T = 140 К ( 1 , 2 ), 160 К ( 3 , 4 ), 180 К ( 5 , 6 ) ( б ); при T = 200 К ( 1 , 2 ), 220 К ( 3 , 4 ), 240 К ( 5 , 6 ), 280 К ( 7 , 8 ) ( в ); при T = 320 К ( 1 , 2 ), 360 К ( 3 , 4 ), 390 К ( 5 , 6 ) ( г )

Fig. 5. Magnetoconductivity in a field H = 12 kOe depending on the electric voltage in Sm x Mn 1–x S samples with a concentration of x = 0.1 for 0° ( 1 , 3 , 5 , 7 ) and 90° ( 2 , 4 , 6 , 8 ) at T = 80 K ( 1 , 2 ), 100 K ( 3 , 4 ), 120 K ( 5 , 6 ) ( a ); at T = 140 K ( 1 , 2 ), 160 K ( 3 , 4 ), 180 K ( 5 , 6 ) ( б ); at T = 200 K ( 1 , 2 ), 220 K ( 3 , 4 ), 240 K ( 5 , 6 ), 280 K ( 7 , 8 ) ( в ); at T = 320 K ( 1 , 2 ), 360 K ( 3 , 4 ), 390 K ( 5 , 6 ) ( г )

Сравнение двух методик измерения проводимости в магнитном поле указывает на то, что магнитопроводимость зависит от величины тока, на котором проводится измерение проводимости. На малом токе 10 мкА проводимость уменьшается на порядок в окрестности температуры Нееля, если ток увеличится на два порядка, то максимальное уменьшение проводимости достигается при 200 К.

Заключение

В сульфиде марганца, замещенного самарием Sm x Mn 1-x S, изменение проводимости в магнитном поле зависит от направления поля по отношению к электрическому току. В окрестности температуры Нееля проводимость уменьшается на порядок на слабом токе в магнитном поле 12 кЭ. Обнаружена слабая нелинейность вольт-амперных характеристик в Sm x Mn 1-x S. Найдена область температур с максимальной анизотропией проводимости в магнитном поле по отношению к направлению тока. Установлена зависимость магнитопроводимости от величины тока и тенденция к ее исчезновению при больших токах. Влияние магнитного поля на проводимость резко уменьшается в области комнатных температур и достигает несколько процентов

Работа поддержана Российским научным фондом, Правительством Красноярского края и проектом Красноярского научного фонда № 23-22-10016.

Acknowledgements

The study was supported by a grant from the Russian Science Foundation Nо. 23-22-10016, the Krasnoyarsk Regional Science Foundation.