фаза сменяется металлической [4]. С ростом х в пределах (0.15 — 0.5) на смену. Т. XIV, № 5-6, 2001. 3. Нагаев Э.Л. Манганиты лантана и другие магнитные проводники с гигантским


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте его и откройте на своем компьютере.
Научный потенциал регионов на службу модернизации. Астрахань: АИСИ, 2011. 290 с.

121



























ИЗМЕНЕНИЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ И МАГНИТНОЙ СТРУКТУРЫ
ЛАНТАН
-
СТРОНЦИЕВОГО МАНГАНИТА В ЗАВИСИМОСТИ

ОТ КОНЦЕНТРАЦИИ КИСЛОРОДА

Е.

П. Фирсова

Астраханский государственный университет

г. Астрахань, Россия


В связи с актуальными проблемами микроэлектроники
очень остро встала
задача создания систем с большим изотропным отрицательным
магнетосопротивлением, работающих при комнатных температурах
.
Такими
свойствами обладают легированные манганиты, они интересны как с
теоретической точки зрения, так и в плане прак
тического применения.

Манганиты используются в керамическом виде как высокотемпературные
проводники и электроды термопар для электрохимических устройств,
высокочувствительных датчиков магнитного поля, а также в качестве
катализаторов.

Материал, проявляющий

значительную величину магнетосопротивления
в достаточно слабом магнитном поле при комнатной температуре, может быть
использован в электронных устройствах, эксплуатируемых в быту. Увеличение
Научный потенциал регионов на службу модернизации. Астрахань: АИСИ, 2011. 290 с.

122

чувствительности материала к магнитному полю приводит к уменьшени
ю
размеров электронных устройств, также дополнительный интерес к
легированным манганитам редкоземельных элементов как к перспективным
материалам для создания на их основе цифровых микросхем с
магнитооптическими преобразователями. Эти материалы рассматриваю
тся
также
,

как перспективные
,

для разработки спинового (управляемого магнитным
полем) транзистора

[
2,

3
,

9
].

Таким образом, исследования природы и ус
ловий формирования,

структурных и магнитных свойств новых материалов, обладающих при
определенных условиях

КМС, является актуальными задачами
,

представляет
научный интерес, и имеют большое практическое значение.

В данной работе рассматривается система
La
1
-
x
Sr
x
MnO
3
, которая
на
данный момент обладает полной фазовой диаграммой, максимальным
значением КМС
, рядом
температурных переходов и
, соответственно
представляет большой интерес
, как со стороны экспериме
нтаторов, так и
теоретиков и во многих работах является базовой системой

[1,

2,

3,

10].

Данная система, как следует из фазовой диаграммы [10], имеет
критические

точки, в которых наблюдается ряд температурных и магнитных
фазовых переходов и изменение кристаллической структуры.

Кристаллическая
и магнитная
структура манганитов зависит, как от
степени легирования
х
, так и в зависимости от концентрации вакансий
ки
сло
рода.

Причины иска
жения решетки в кристалле
La
1
-
x
Sr
x
MnO
3

можно разде
лить
на две группы: несоответствие размеров катионов при интервалентном
замещении
La
3+


Sr
2+
, а также изменение валентности иона с промежуточной
валентностью
Mn
3+


Mn

4+

при легировании ионами
Sr
2+
;
влияние
кооперативного эффекта ЯТ для ионов
Mn
3+
. При этом снятие существующего
двух
-

и трeхкратного вырождения подуровней
e
g

и
t
2
g

приводит к сдвигу
ионов
O
2
-
. Деформация октаэдров может быть наиболее
сильна в плоскости (001).
Таким образом, кубический манганит превращается в орторомбический
манганит с двумя ионами
Mn

в элементарной ячейке, т. е. происходит удвоение
элементарной ячейки. Определяющая роль ЯТ
-
искажений решетки проявляется
в изменении крис
таллической структуры в зависимости от степени
легирования. Так, при
0

x


0,15и
T
>
T
c

кристаллы имеют
орторомбическую решетку, при

х



0,
15 проис
ходит переход к ромбоэдрической решетке. Повышение
симметрии не может быть объяснено первой причиной, однако
впо
лне
соответствует эффекту ЯТ [6
]. Кристаллическая структура состава

La
1
-
х
Sr
х
MnO
3

при комнатной температуре изменяется от орторомбической
(
Pbnm
,
Z

= 4) при
х

< 0.175 к ромбоэдрической (
R
3
c
,
Z

= 2) при
х

≥ 0.175.
Изменение параметров решетки от
х

показа
ны на рис.

1 [7
].



Научный потенциал регионов на службу модернизации. Астрахань: АИСИ, 2011. 290 с.

123


Рисунок
1
-

Постоянные решетки
La
1
-
х
Sr
х
MnO
3

при комнатной
темпер
атуре [7
].

При
х

= 0.17 кристаллическая структура образца
La
1
-
х
Sr
х
MnO
3

может
меняться магнитным полем


при низких температурах необратимо, а при
высоких температурах обратимо


с ортор
омбической на ромбоэдрическую [3
].

На рисунке 3

изображена температурная зависимость сопротивления для
образцов с различными концентрациями
S
r

и на рисунке 2

приведена
схематическая фазовая диаграмма, характеризующая магнитные и проводящие
свойства
системы
La
1
-
x
Sr
x
MnO
3
.

Согласно рисунку 2

при
х

≤ 0.05
ферромагнитного фазового перехода не наблюдается. Заметны изменения около
Т
С
. Выше
х

= 0.175 наблюдается металлическая проводимость в области низких
температур ферромагнитной фазы (
Т


Т
С
). В области высоких температур
парамагнитной фазы (
Т

Т
С
) кривая
ρ


Т

характеризует неметаллическое
состояние (полупроводник), т.е.

/
dT

< 0 для
х


0.2. Кривая становится
металлической с дальнейшем увеличением
х

(> 0.3).

При 0

х
≤ 0.1
наблюдается скошенная антиферромагнитная фаза и при х
> 0.1 ферромагнитная фаза [
7
].

При 0

х
≤ 0.15
они имеют
антиферромагнитную структуру.

Научный потенциал регионов на службу модернизации. Астрахань: АИСИ, 2011. 290 с.

124

Рисунок 2
-

Схематическая
фазовая диаграмма
La
1
-
x
Sr
x
MnO
3

[4
]


Рисунок 3
-

Зависимость
сопротивления от температуры для
образца

La
1
-
x
Sr
x
MnO
3
[4
]


Л.П. Горьков

предложил, что при данных концентрациях «проводящая»
фаза существует в виде изолированных ферромагнитных кластеров.
Концентрация
х

= 0.16 является пороговой, при которой формируется
бесконечный кластер и проводимость резко возрастает, то есть диэлектрическая

фаза сменяется металлической [4
]. С ростом
х

в пределах (0.15
-

0.5) на смену
АФМ
упорядочению приходит ферромагнитное упорядоч
ение, что связывают с
увеличением концентрации ионов
Mn
4+
и сильным обменом между ионами
Mn
3+

и
Mn
4+
.
Металлическая проводимость при
Т


Т
с

в пределах 0.15

х

≤ 0.5
в
механизме двойного зарядового обмена возникает при параллельной
ориентации
спинов ионов
Mn
3+

и
Mn
4+
, причем свободные носители
осуществляют перескоки со спина на спин практически без потери энергии по
системе
Mn
4+

O
2
-

Mn
3+
. Эффект ЯТ приводит к созданию дополнительного
барьера
на пути движения носителей, поскольку каждый перескок
носителя
между узлами, занятыми ионами
Mn
, вызывает
локальное изменение
валентности, а, следовательно


локальное деформационное смещение
лигандов. Таким образом, носитель становится магнитоупругим поляро
ном, что
приводит к дополнительному сужению зоны
про
водимости

[6
]
.
В результате
магнитного фазового перехода
в ферромагнитную фазу ЯТ
-
искажения начинают
подав
ляться за счет возрастания намагниченности и сопроти
вление резко
уменьшается, что наиболее характерно для
значения
х
~ 0.175 [7
].

Температура Т
С

ферромагнитного перехода при увеличении
х

достигает
максимума (
≈ 370
К) около
х

= 0.4. Аномалии указаны открытыми
треугольниками для х = 0.15, 0.175, и 0.2, из
-
за структурного перехода от
ромбоэдриче
ской к орторомбической форме [7
].

Научный потенциал регионов на службу модернизации. Астрахань: АИСИ, 2011. 290 с.

125

Как уже отмечалось выш
е, с
одержание кислорода
также
сильно влияет на
магнитные и транспортные свойства манганитов, меняя магнитный порядок и
характер проводимости.

Следующие авторы
А.И.

Бескровный, С.В.

Труханов

и др. (2006

г
.
)

утверждают, что симметрия элементарной ячейки
анио
н
-
дефицитных твердых
раство
ров
La
0.7
Sr
0.3
MnO
3
-
γ

меняется в зависимости от концентрации вакансий
ки
слорода. Соединения с
0<γ<0,13

обладают ромбоэдрической
(простран
ственная группа
R
3
c

,
Z

= 2) элементарной ячейкой, в то время как с
γ


0.2


тетрагональной (пространственная группа
I
4/
mcm
,
Z

= 2) [12
].


Рисунок 4
-

Магнитная фазовая
диаграмма для системы анион
-
дефицитных твердых раство
ров
La
0.7
Sr
0..3
MnO
3
-
γ

:

-

темпе
ратура перехода в
парамаг
нитное состояние,

-

темпе
ратура замерзания магнитных моментов
ферромагнитных кластеров.
F

ферромаг
нетик,
F
+
P

смешанное магнитное
состояние из ферро
магнитных кластеров в парамагнитной матрице,
SG

-

спиновое стекло, A
-

антиферромагн
етик, P


парамагнетик [6
]


Влияние вакансий кислорода на магнитные свойства
Sr
-
замещенных

манганитов можно проследить на р
исунке 4
. Видно, что вакансии кислорода
являются дополнительным параметром, который вносит значительный вклад в
формирование магнитных свойств систем постоянного

химического состава с
переменной валентностью ионов марганца. Наличие вакансий кислорода в
области с большим содержанием ионов
Mn
3+

ослабляет ферромагнитные
свойства вместе с увеличением отношения концентраций ионов
Mn
3+

и
Mn
4+

[6
].

Для стехиометрического твердого раствора
La
0.7
Sr
0.3
MnO
3

орбитальное
упорядочение отсутствует, поэтому сверхобменное взаимодействие
Mn
3+
-
O
-
Mn
3+

являются положительными [11
]. Появление вакансий кислорода изменяет
этот знак, сверхобменное взаимодействие
Mn
3+
-
O
-
Mn
3+

для пентаэдрической
координации ионов марганца является антиферромагнитным. Таким образом,
анион
-
дефицитные образцы
La
0.7
Sr
0.3
MnO
3
-
γ
0
< γ ≤
0,5

являются
ферромагнетиками, с
T
m
o

и
M
s

немного
уменьшающимися с ростом
γ.
Группа
авторов, Д.П. Козленко,
С.В. Труханов

и.т.д. (2007г) в
ходе исследований
выяв
и
л
и
, что с уменьшением содержания кислорода изменяется магнитное
Научный потенциал регионов на службу модернизации. Астрахань: АИСИ, 2011. 290 с.

126

фазовое состояние манганита
La
0.7
Sr
0.3
MnO
3
-
γ
.

Анион
-
дефицитные твердые
растворы
La
0.7
Sr
0.3
MnO
3
-
γ
испытывают ряд последовательных магнитных

фазовых превращений в основном состоянии: от ферромагнетика через
состояние подобное спиновому стеклу (отсутствует дальний магнитный
порядок) к антиферромагнетику
[9]
.

При
γ= 0,15
формируется магнитное состояние спинового стекла,
характерной особенностью,

которой является кристаллоструктурное фазовое
расслоение и сосуществование ромбоэдрической и тетрагональной фаз.

В случае
γ = 0,2
наблюдается область С
-
типа и область спинового стекла
[8].

Различие магнитной структуры данных соединений обусловлено
особен
ностью орбитального упорядочения и характером распределения
кислородных вакансий


изотропным для ромбоэдрической фазы при
γ = 0,15
и
анизотропным для тетрагональной фазы при
γ

= 0,2 [8].

Результаты данного анализа показывают, что магнитная и
кристаллическ
ая структура лантан
-
стронциевых манганитов меняется в
зависимости от степени легирования и содержания кислорода,

а также
определены критические точки данного состава,
х

= 0,15; 0,16; 0,175; и 0,2 что
необходимо учитывать при поиске новых материалов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.

Г
орбенко

О.Ю.
, Демин

Р.В.,
Кауль

А.Р.
,
К
оролева

И.Р.,
Шимчак

Р.
. Магнитные,
электрические и кристаллографические свойства тонких пленок La
1
-
х
Sr
х
Mn
О
3

//

ФТТ.1998.
Т
.
40. №

2.

С.

292
-
294
.

2.

Муковский

Я.М
. Получение и свойства
материалов с коло
ссальным
магнетосопротивлением // Журнал Российского химического общества

им. Д.И. Менделеева.
Т
.

XIV
, № 5
-
6, 2001.

3.

Нагаев

Э.Л
. Манганиты лантана и другие магнитные проводники с г
игантским
магнетосопротивлением

// Успехи физических наук.
Т
.
166
.
№ 8
.

1996.

4.

Горьков
Л.П.
Решеточные и магнитные эффекты в легированных манганитах //
Успехи физических наук. Т
.
168
.



6
.

1998.

5.

Довгий

В.Т.
, Линник

А.И
, Пащенко

В.П.
, Деркаченко

В.Н.
, Прокопенко

В.К.
,
Турченко

В.А.
, Давыдейко

В.Н.
. Аномалия магнитног
о гистерезиса в манганитах
La
0.6
Sr
0.2
Mn
1.2
O
3
-
δ

со структурой перовскита
//

Письма в ЖТФ
.
2003
. Т.

29
. В
ып
.

14.

6.

Богданова

Х.Г.
, Булатов

А.Р.
, Голенищев
-
Кутузов

В.А.
, Шакирзянов

М.М.

Особенности распространения высокочастотного ультразвука в области структурных и
магнитных фазовых переходов в манганите
La
1
-
х
Sr
х
MnO
3

(х = 0.175) // Физика твердого тела
.
2001.
Т
.
4
3
. В
ып
.

8.

7.

Urushibara

A.,
Morimoto

Y.
, Arima

T.
, Asamitsu

A.
, Kido

G.,
Tok
ura

Y
. Insulator


metal
transition and giant magnetoresistance in La
1
-
x
Sr
x
MnO
3

// Phys.Rev.B. 1995. V
.

51.
No
.

20.
P
.
14103
-

14109.

8.

Козленко

Д
.
П
.,
Т
руханов

С
.
В
.,
Лукин

Е
.
В
.,
Троянчук

О
.
Я
.,
Савенко

Б
.
Н
.,
Глазков

В.П
.
Влияние

дефицита

кислорода

и

высокого

давления на магнитную и кристаллическую
структуры манганитов
La
0.7
Sr
0..3
MnO
3
-
γ
. //

Письма в ЖЭТФ
. Вып.

2. Т.


85
.
2007
. С
. 123
-
127.

9.

Труханов

С.В.
, Труханов

А.В.
, Степин

С.Г.
,
Szymczak

Н.
,
Botez

С.Е
. Влияние
размерного фактора на магнитные свойства манганита
La
0.50
Ba
0.50
MnO
3
. // Физика твердого
тела.

2008.
Т
. 50.

Вып.

5.

10.

Hemberger

J.
, Krimmel

A.
, Kurz

T.
, Krug von Nidda

H.
-
A.
,
Ivanov

V.Y.
,
Mukhin

A.A.
,
Balbashov

A.M.
,
Loidl

A.
.
Structural
,
magnetic
and electrical properties of single
-
crystalline La
1
-
х
Sr
х
MnO
3

(0.4 <
х

< 0.85) // Phys. Rev
.
B
. 2002.
V
. 66.



9.
Р
. 094410
-
094417.

Научный потенциал регионов на службу модернизации. Астрахань: АИСИ, 2011. 290 с.

127

11.

Труханов

С.В.
.
Особенности

магнитного

состояния

в

системе

La
0.70
Sr
0.30
MnO
3
-
γ

(0

γ


0.25 ) //
ЖЭТФ. 2005. T. 127. № 1.
С
. 107
-
119.

12.

Бескровный

А.И.
, Труханов

С.В.
, Земскова

С.Г.
, Левин

Д.М.
, Василовский

С.Г
.
Исследование кристаллической и магнитной структуры аион
-
дефицитного лантан
-
стронциевого манганита методом порошковой дифракции нейтронов

//

Известия ТулГУ.
Серия Физика
. Выпуск 6
.

2006.



Приложенные файлы

  • pdf 41802660
    Размер файла: 260 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий