Особенности магнитных, магнитоупругих, электрических, гальваномагнитных и оптических свойств La1-x Sr x MnO3 и Eu1-x A xMnO3 (A=Ca, Sr) , вызванные сильным s-d обменом

Исследователи всего мира уделяют большое внимание материалам с колоссальным магнитосопротивлением. Такие материалы могут быть использованы в микроэлектронике. Например, для надежного хранения информации, создания головок магнитной записи, датчиков и т. д. Основные работы в этой области ведутся в двух направлениях: 1) исследование многослойных магнитных пленок и гранулированных магнитных систем — 2) исследование веществ, относящихся к классу магнитных полупроводников (МП), т. е. веществ с ярко выраженным магнитным порядком и полупроводниковым характером проводимости. Чтобы показать различие магни-тосопротивления в магнитных полупроводниках и магнитных пленках в работе [1] были предложены термины: для первых — колоссальное магнитосопротивление (KMC), а для вторых — гигантское магнитосопротивление (ГМС).

Типичной многослойной системой является чередующиеся слои FM материала, например Fe или Со, и слои нормального металла Си. Толщина этих слоев порядка периода осцилляции РККИ взаимодействия. Вследствие этого, намагниченности соседних магнитных слоев противоположно направлены. Отрицательное магнитосопротивление возникает из-за того, что магнитное поле ориентирует моменты слоев вдоль поля, это облегчает переход носителей заряда между слоями. Магнитосопротивление в этих материалах насыщается в поле порядка десятых тесла. Наибольшее значение 8Н- [р (Н)-р (0)]/р (Н) было найдено в пленках Fe-Cr при 4.2 К в поле Н = 6 Т: оно составляет -150% [2].

В магнитных полупроводниках достигается колоссальное магнитосопротивление (KMC), на много порядков превосходящее эту величину у многослойных пленок, и эти полупроводники могут работать при комнатных температурах. Однако поле, необходимое для достижения уменьшения сопротивления, сравнимого с многослойными системами, намного больше. Например, в тонких пленках Ьа0.67Сао.ззМпОу получены значения относительного магнито-сопротивления 8Н, достигающие — 127 000% при 77 К и — 1300% при комнатной температуре [3]. Но это не предел того, что может быть достигнуто в сильнолегированных полупроводниках. В антиферромагнитном полупроводнике EuSe при гелиевых температурах KMC достигает значения он~ Но и в системе La-Ca-Mn-0 магнитосопротивление при низких температурах 57 К может достигать внушительных значений -108% [5].

KMC в манганитах лантана имеет максимум в районе точки Кюри Тс, поэтому наиболее перспективны в техническом плане составы с Тс в области комнатных температур. В настоящее время уже созданы на основе этих материалов магнитные сенсоры. Группа исследователей Автономного университета Барселоны продемонстрировала, что даже при скромных возможностях толстых пленок La2/3Sri/3Mn03 (изменение сопротивления на 1.2% в поле 1 кЭ) оказывается достаточно для изготовления прототипа сенсора. На пленке Ьаг/зБгшМпОз толщиной 10 мкм на подложке А1203 была процарапана скальпелем мостиковая схема. Подложку обратной стороной наклеивали на постоянный магнит (феррит), создававший магнитное поле 550 Э. Движение объекта из магнитомягкого материала вдоль одного из пленочных сопротивлений моста вызывало искажение магнитных силовых линий у поверхности пленки, что приводило к разбалансу моста. Пространственное разрешение составляло до 500 мкВ/мм. Чувствительность оставалась достаточно высокой при удалении сенсора на 1 — 3.5 мм от перемещаемого объекта.

Сенсор позволял различать объекты различной формы, отслеживать движение одновременно четырех различных объектов (с использованием Фурье — преобразования сигнала), распознавать движения объекта.

Манганиты могут найти интересное применение, не связанное непосредственно с KMC. Большое значение dR/dT в области точки Кюри позволяет использовать тонкие пленки манганитов в качестве болометров. В китайском университете Гонконга на подложке NdGaC>2 литографически изготовлялись из пленки Ьа2/зСа1/зМпОз мостики шириной 0.5 — 1 мм и длиной 1 см. Оптический показатель поглощения этих пленок достаточно высок в широком диапазоне длин волн — 105 см" 1. Для измерения болометрического эффекта использовалось излучение He-Ne лазера (633 нм, 7 мвт). При токе 50 мкА и частоте 74 ГЦ наблюдался болометрический отклик с амплитудой до 50−100 мкВ.

В связи с возможностью широкого технического применения этих материалов актуально исследовать их свойства с целью создания новых материалов с точками Кюри в районе комнатной температуры, так как максимум KMC наблюдается в районе точки Кюри, поэтому необходимо разобраться с причиной возникновения этого явления.

Несмотря на усиленное изучение этих материалов, природа KMC в них до сих пор не ясна. Дело в том, что по сравнению с обычными магнитными полупроводниками (монохалькогенидами европия и халькогенидными шпинелями), в которых наблюдается гигантское магнитосопротивление, заключающееся в подавлении магнитным полем пика сопротивления в районе точки Кюри, в ман-ганитах картина усложняется присутствием эффекта Яна-Теллера и относительной мягкостью решетки, проявляющейся в зависимости типа ее структуры от магнитного поля, давления и температуры. Для объяснения ферромагнетизма в этих материалах Зинером была предложена модель двойного обмена [6]. Однако, как показано в теоретической работе[7], двойной обмен не объясняет KMC. Поэтому ряд исследователей выдвинули другие объяснения KMC в этих материалах: это переход от двойного обмена Зинера к проводимости поляронного типа выше Тс, которая возникает из-за сильного электрон-фононного взаимодействия. Электрон-фононное взаимодействие возникает здесь вследствие эффекта Яна-Теллера. Другие авторы связывают KMC с плавлением зарядовоупорядочен-ного состояния. Однако, во многих материалах наблюдается эффект Яна-Теллера и зарядовое упорядочение, но в них отсутствует KMC. Также эти теории не объясняют тот факт, что KMC имеет место в районе Тс.

В обычных магнитных полупроводниках гигантское магни-тосопротивление было объяснено существованием в них магнитно-двухфазного состояния, впервые предложенного Нагаевым [8], [9], [10 ], [11]. Это магнитно-двухфазное состояние возникает в АФМ полупроводниках за счет того, что энергия носителей заряда минимальна при ФМ порядке (из-за энергии s-d обмена). Поэтому носителям заряда энергетически выгодно локализоваться около примеси и поддерживать вокруг нее ферромагнитный порядок. Эти области у Нагаева получили название ферронов. Здесь возможно две ситуации: когда ферромагнитные капли находятся в антиферромагнитной матрице и когда антиферромагнитные капли находятся в ферромагнитной матрице. Первое состояние является изолирующим, а второе — проводящим.

Целью данной диссертации является получение экспериментальных фактов, объясняющихся магнитно-двухфазным состоянием и тем самым подтверждающих существование его в мангани-тах, которое является причиной KMC в них. Для этого были проведены следующие исследования: а) впервые были изучены магнитострикционные свойства и тепловое расширение Lai. xSrxMn03, где были обнаружены аномалии магнитострикции и теплового расширения в районе точки Кюриб) с целью обнаружения красного сдвига ширины запрещенной зоны, характерного для традиционных магнитных полупроводников и являющегося основанием для существования магнитно-двухфазного состояния, были исследованы оптические свойства LaixSrxMn03 и обнаружен гигантский красный сдвиг края поглощения в части этих составовв) впервые исследовались магнитные и электрические свойства Eui. xAxMn03 (где A =Sr, Са), и было найдено, что эти составы имеют электрические и магнитные свойства, характерные для магнитно-двухфазного состоянияг) в диссертации также изучены электрические и магнитные свойства эпитаксиальных пленок LaixSrxMn03 и показано, что они укладываются в рамки магнитно-двухфазного состояния, для пленки с х = 0.23 был обнаружен максимум KMC при комнатной температуре, что важно для технического применения.

Диссертация состоит из введения и трех глав. В первой главе дается обзор литературных данных о магнитных, электрических, оптических, магнитострикционных свойствах и теплового расширения манганитов. Здесь также приводится описание ферронной теории. Вторая глава посвящена экспериментальным методикам и математической обработке экспериментальных результатов. В третьей главе приводятся результаты исследования магнитных, электрических, оптических, магнитострикционных свойств и тепло.

выводы.

1. Обнаружено, что край поглощения, определенный из спектров диффузного отражения перовскита LaixSrxMn03, смещается в сторону более низких энергий с понижением температуры от точки Кюри, равной 155 К, до 141 К на гигантскую величину -0.4 эВ. Наличие указанного красного сдвига ширины запрещенной зоны, обусловленного сдвигом верха валентной зоны, делает возможным существование магнитно-двухфазного состояния, вызванного сильным s-d обменом, в системе LaixSrxMn03.

2. Впервые для монокристалла LaixSrxMn03 с х = 0.3 наблюдались гигантская магнитострикция, достигающая 700−10″ 6 при 4.2 К, для состава с х = 0.3 и пик абсолютной величины отрицательной объемной магнитострикции в районе точки Кюри, сопровождавшийся избыточным тепловым расширением. Для состава с х = 0.1 объемная магнитострикция отрицательна и не имеет особенностей в районе Тс. Поведение объемной магнитострикции и теплового расширения, а также колоссальное магнитосопротив-ление и тот факт, что парамагнитная точка Кюри ниже температуры Кюри для х = 0.2 и 0.3 в указанной системе, объяснены существованием в ней магнитно-двухфазного состояния — изолирующего в составе с х = 0.1 и проводящего в составах с х = 0.2 и 0.3.

3. Обнаружено, что у керамик Eui. xAxMn03 (А = Са, Srх = 0- 0.3) низкотемпературные магнитные свойства зависят от термомагнитной истории образца. Температура максимума начальной восприимчивости Tn не зависит от частоты переменного магнитного поля, в котором измерена восприимчивость. Изотермы намагниченности представляют собой суперпозицию линейной части, характерной для антиферромагнетиков и спонтанной намагниченности. Обнаружены гигантские максимумы электросопротивления (Рмах~Ю8 Ом-см) и магнитосопротивления в районе Тм для составов с х = 0.3: так под действием поля 120 кЭ электросопротивление падает на четыре порядка, а температура максимума р увеличивается в два раза. Намагниченность зависит от условий охлаждения вплоть до максимальных полей измерения Н = 45кЭ. Парамагнитная точка Кюри у составов с х = 0.3 намного выше, чем у состава с х = 0. Перечисленные особенности магнитных и электрических свойств объяснены существованием в данной системе изолирующего магнитно-двухфазного состояния.

4. Изучение магнитных и электрических свойств эпитаксиальных пленок Ьа1×8гхМпОз показало, что эти свойства сильно зависят от материала подложки. Так оказалось, что близкие по составу пленки с х = 0.15, 0.16, выращенные на подложках из монокристаллических пластин (001) 7г02(У203) со структурой флкфита и (001) ЬаАЮз со структурой перовскита, соответственно, сильно различаются магнитными и электрическими свойствами. У пленки на флкфитной подложке в цепочках О-Мп-О имеются углы, равные 19.5°, 70.5° и 90°, что делает двойной обмен Зинера в ней невозможным, а в пленке на перовскитной подложке эти углы близки к 180°.Этим и объясняются различия их свойств.