Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,580

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ПОЛУМЕТАЛЛИЧЕСКОГО ФЕРРОМАГНЕТИКА CO2FESI

Перевозчикова Ю.А. 1 Семянникова А.А. 1 Доможирова А.Н. 1 Чистяков В.В. 1 Емельянова С.М. 1 Марченков В.В. 1, 2
1 Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН
2 Уральский федеральный университет
Полуметаллический ферромагнитный сплав Гейслера Co2FeSi является перспективным материалом для использования его в области спиновой электроники – спинтроники, так как в нем может быть реализована высокая, близкая к 100 %, поляризация электронов по спину в области комнатных температур из-за наличия особенности в электронном энергетическом спектре данного сплава. Известно, что вблизи уровня Ферми полуметаллического ферромагнетика существует широкая энергетическая щель для одного направления спина электронов, а для другого направления спина носителей заряда – щели нет. Такие «щелевые» особенности должны проявляться в электронном транспорте. Поэтому в данной работе исследованы электрические транспортные и магнитные свойства сплава Гейслера Co2FeSi: температурная зависимость электросопротивления в интервале температур (4,2–1100) К и полевые зависимости намагниченности, сопротивления Холла и магнитосопротивления при температуре Т = 4,2 К и в полях до 7 Т. Установлено, что температурная зависимость электросопротивления, вплоть до температуры Кюри, в основном определяется процессами рассеяния носителей заряда со спином «вверх». Определены величина спонтанного магнитного момента µS, коэффициенты нормального R0 и аномального RS эффектов Холла. Оценены концентрация, подвижность и тип носителей заряда, которые оказались типичными для металлов. Магнитосопротивление сплава Co2FeSi по величине не превышает десятых процента и имеет положительный знак.
полуметаллический ферромагнетик
Co2FeSi
электросопротивление
эффект Холла
магнитосопротивление
намагниченность
1. Graf T., Felser C., Parkin S.S.P. Simple rules for the understanding of Heusler compounds. Progress in Solid State Chemistry. 2011. Vol. 39. P. 1. DOI: 10.1016/j.progsolidstchem.2011.02.001.
2. Galanakis I., Mavropoulos P., Dederichs P.H. Electronic structure and Slater-Pauling behaviour in half-metallic Heusler alloys calculated from first principles. Journal of Physics D: Applied Physics. 2006. Vol. 39. P. 765. DOI: 10.1088/0022-3727/39/5/S01.
3. Inomata K., Ikeda N., Tezuka N., Goto R., Sugimoto S., Wojcik M., Jedryka E. Highly spin-polarized materials and devices for spintronics. Science and Technology of Advances Materials. 2008. Vol. 9. P. 014101. DOI: 10.1088/1468-6996/9/1/014101.
4. Kandpal H. C., Fecher G. H., Felser C. Calculated electronic and magnetic properties of the half-metallic, transition metal based Heusler compounds. Journal of Physics D: Applied Physics. 2007. Vol. 40. P. 1507. DOI: 10.1088/0022-3727/40/6/S01.
5. Farshchi R., Ramsteiner M. Spin injection from Heusler alloys into semiconductors: A materials perspective. Journal of Applied Physics. 2013. Vol. 113. P. 191101. DOI: 10.1063/1.4802504.
6. Balke B., Wurmehl S., Fecher G. H., Felser C., Kubler J. Rational design of new materials for spintronics: Co2FeZ (Z = Al, Ga, Si, Ge). Science and Technology of Advanced Materials. 2008. Vol. 9. P. 014102. DOI: 10.1088/1468-6996/9/1/014102.
7. Коуров Н.И., Перевозчикова Ю.А., Weber H.W., Марченков В.В. Особенности электросопротивления полуметаллических ферромагнетиков Co2MeAl (Me = Ti, V, Cr, Mn, Fe) // Физика твердого тела. 2016. Т. 58. С. 1311.
8. Коуров Н.И., Марченков В.В., Перевозчикова Ю.А., Королев А.В., Weber H.W. Высокополевая намагниченность зонных ферромагнетиков Co2YAl (Y = Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni) // Физика твердого тела. 2016. Т. 58. С. 2346.
9. Коуров Н.И., Марченков В.В., Перевозчикова Ю.А., Weber H.W. Гальваномагнитные свойства сплавов Гейслера Co2YAl (Y = Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni) // Физика твердого тела. 2017. Т. 59. С. 63.
10. Wurmehl S., Fecher G.H., Kandpal H.C., Ksenofontov V., Felser C., Lin H.J., Morai J. Geometric, electronic, and magnetic structure of Co2FeSi: Curie temperature and magnetic moment measurements and calculations. Physical Review B. 2005. Vol. 72. P 184434. DOI: 10.1103/PhysRevB.72.184434.
11. Bombor D., Blum C. G. F., Volkonskiy O., Rodan S., Wurmehl S., Hess C., Buchner B. Half-metallic ferromagnetism with unexpectedly small spin splitting in the Heusler compound Co2FeSi. Physical Review Letters. 2013. Vol. 110. P. 066601. DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.066601.
12. Marchenkov V.V., Perevozchikova Yu.A., Kourov N.I., Irkhin V.Yu., Eisterer M., Gao T. Peculiarities of the electronic transport in half-metallic Co-based Heusler alloys. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2018. Vol. 459. P. 211. DOI: 10.1016/j.jmmm.2017.11.019.
13. Ирхин В.Ю., Ирхин Ю.П. Электронная структура, физические свойства и корреляционные эффекты d- и f-металлах и их соединениях. Екатеринбург: УрО РАН, 2004. 472 с.
14. Грановский А.Б., Прудников В.Н., Казаков А.П., Жуков А.П., Дубенко А.П. Определение коэффициентов нормального и аномального эффектов Холла в ферромагнитных сплавах Гейслера Ni50Mn35In15-xSix при мартенситном превращении // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2012. Т. 142. С. 916.
15. Лифшиц И.М., Азбель М.Я., Каганов М.И. Электронная теория металлов. М.: Наука, 1971. 415 с.

Развитие современной наноэлектроники и спинтроники требует поиска и создания новых магнитных материалов, в частности, обладающих высокой спиновой поляризацией носителей заряда. К таким материалам могут относиться полуметаллические ферромагнетики (ПМФ) [1–3], так как у них имеется разный вид электронного спектра для подсистем электронов со спином «вниз» и спином «вверх», т.е. наблюдается наличие щели и ее отсутствие на уровне Ферми соответственно. Выявить эту особенность можно с помощью ab initio зонных расчетов или при измерении оптических свойств данных материалов (например, [4–6]). Логично предположить, что эти «щелевые» особенности будут влиять и на другие свойства, прежде всего на электронный транспорт и магнитные характеристики. Так роль этих особенностей электронного спектра была подробно изучена в работах [7–9], где исследовали электрические и магнитные свойства сплавов Гейслера системы Co2MeAl. Для устройств спинтроники необходимы материалы, в которых можно реализовать спин-зависимый или даже спиновый ток, т.е. такое вещество должно иметь большие величины коэффициента спиновой поляризации носителей тока и намагниченности вблизи комнатной температуры, а также высокие значения температуры Кюри. Одним из таких материалов является сплав Co2FeSi. Его температура Кюри TC составляет около 1100 К [10, 11], а спонтанная намагниченность при комнатной температуре около 3 μВ/Fe [6]. Новая информация об электронном транспорте и магнитных свойствах этого соединения до сих пор представляет большой интерес. Поэтому в данной работе были исследованы электрические, магнитные и гальваномагнитные свойства сплава Co2FeSi с целью получения новой информации об его электронных и магнитных характеристиках. Экспериментально были измерены температурные зависимости электросопротивления, намагниченности и полевые зависимости магнитосопротивления и сопротивления Холла в диапазоне температур от 4,2 до 1100 K и в магнитных полях до 7 Т.

Сплав Co2FeSi был выплавлен методом дуговой плавки в инертной аргоновой атмосфере, как это описано в [7–9]. Отжиг проводили при Т = 1100 K в течение суток с охлаждением до Т = 297 K при средней скорости охлаждения около 100 град/час.

Элементный анализ, т.е. атомное содержание компонентов сплава, определяли с помощью сканирующего электронного микроскопа FEI Company Quanta 200, имеющего оснастку в виде рентгеновского микроанализатора EDAX. Анализ показал, что сплав Co2FeSi имеет состав близкий к стехиометрическому, а отклонения от стехиометрии состава совсем незначительные. В результате рентгеноструктурного анализа установлено, что соединение упорядочено в структуре L21. Аттестация структуры выполнена в центре коллективного пользования ИФМ УрО РАН и НОЦ «Нанотех» УрФУ.

Для измерения удельного электро- и магнитосопротивления, соответственно ρ0 и ρxx, а также сопротивления Холла ρH использовали общепринятый 4-контактный метод на постоянном токе. Исследованные образцы имели форму пластин с размерами около 0,5×1,5×5 мм3. Электрический ток был направлен вдоль наибольшей грани образца, а магнитное поле строго перпендикулярно плоскости пластин. В аналогичной геометрии эксперимента и на том же самом образце проведены измерения полевых зависимостей намагниченности М(B). Измерения электро- и магнитосопротивления, а также намагниченности проведены на сверхпроводящем соленоиде (Oxford) и магнитометре SQUID MPMS XL7 (Quantum Design). Методика проведения эксперимента также описана в [7–9].

Электросопротивление

Температурная зависимость электросопротивления Co2FeSi приведена на рис. 1. Значение температуры Кюри TC, определенное из данной зависимости, составляет 1030 К, что близко к значению, полученному авторами в [6, 10] TC ~ 1100 K. Из рисунка видно, что при увеличении температуры электросопротивление плавно возрастает, а при ТС наблюдается излом, характерный для фазового перехода второго рода.

perevez1.wmf

Рис. 1. Температурная зависимость электросопротивления сплава Гейслера Co2FeSi. Стрелкой обозначена температура Кюри ТС

Видно (рис. 1), что для сплава Co2FeSi характерно малое остаточное сопротивление и сильная, близкая к квадратичной, температурная зависимость ρ(T).

Из формул (1) и (2) известно, что проводимость (сопротивление) определяется числом носителей заряда, эффективной массой и длиной свободного пробега. Согласно [12] проводимость (сопротивление) ПМФ определяется двумя каналами проводимости: для носителей заряда с направлением спина «вниз» и для носителей заряда с направлением спина «вверх». Они дают разные вклады в вид температурной зависимости электросопротивления ρ(T). При увеличении температуры первый канал проводимости с носителями заряда со спином «вниз» (для которых характерно наличие щели на уровне Ферми) приводит к уменьшению электросопротивления из-за роста концентрации носителей заряда perev01.wmf; второй канал проводимости приводит к росту электросопротивления из-за уменьшения длины свободного пробега. Концентрация носителей заряда со спином «вверх» perev02.wmf при этом практически не изменяется.

perev03.wmf, (1)

где σ – проводимость, ρ – электросопротивление, n – число носителей заряда, e – заряд электрона, m* – эффективная масса носителей тока, τ – время релаксации.

τ = 1/l, (2)

где l – длина свободного пробега.

Ответ на вопрос об определяющем вкладе в проводимость от одного из этих каналов можно получить из данных по температурным зависимостям коэффициента нормального эффекта Холла и определенных из этих данных зависимостях концентрации носителей заряда n(T).

В работе [11] приведена температурная зависимость коэффициента нормального эффекта Холла R0(T) для монокристалла Co2FeSi, из которой видно, что R0(T), а следственно, и концентрация носителей заряда n, практически не изменяется с температурой от 4,2 K до комнатной температуры. Это позволяет заключить, что в случае Co2FeSi определяющим является второй канал проводимости со спином вверх.

Магнитные свойства

Результат измерения кривых намагничивания при Т = 4,2 K и B ≤ 7 T в сплаве Гейслера Co2FeSi приведен на рис. 2. Видно, что в полях свыше 1 Т зависимость намагниченности от поля М(B) выходит на насыщение. Это означает, что в этой области магнитных полей сплав Co2FeSi переходит в однодоменное состояние.

perevez2.wmf

Рис. 2. Кривая намагничивания сплава Гейслера Co2FeSi при Т = 4,2 K

Из полученных экспериментальных данных была определена величина спонтанного магнитного момента perev04.wmf,
что согласуется с теоретическим значением, полученным в результате расчетов электронной зонной структуры сплавов в [6]: perev05.wmf

Эффект Холла

Результат измерений полевой зависимости сопротивления Холла ρH(B), полученный для сплава Co2FeSi при температуре Т = 4,2 K и B ≤ 7 T, приведен на рис. 3. Видно, что так же, как и на зависимости кривой намагничивания имеется два интервала магнитных полей: до 1 T и выше 1,5 T, где ρH линейно возрастает с магнитным полем.

perevez3.wmf

Рис. 3. Полевая зависимость сопротивления Холла при Т = 4,2 К

Для сплава Co2FeSi были определены величины коэффициентов нормального R0 и аномального RS эффектов Холла, используя измеренные зависимости ρH(B) и М(B) в области парапроцесса, а также известную формулу

perev06.wmf (3)

Первое слагаемое в уравнении (3) – это коэффициент нормального Холла. Нормальный эффект Холла возникает из-за силы Лоренца, искривляющей траектории движения электронов проводимости в поле магнитной индукции В. В однозонной модели коэффициент нормального Холла не зависит от механизмов рассеяния носителей заряда. Второе слагаемое в уравнении (3) связано с аномальным эффектом Холла, который обычно возникает в результате спин-орбитального взаимодействия [13, 14].

perevez4.wmf

Рис. 4. Зависимость ρH/B от М/B

Из рис. 4 видно, что в магнитных полях свыше 1,5 T, для ρH(B) и М(B) справедливо соотношение (3). Отличие значений коэффициентов нормального (R0 = 6∙10-5 cm3/C) и аномального (RS = 7∙10-3 cm3/C) эффектов Холла на два порядка характерно для ферромагнетиков.

Используя значения коэффициента нормального Холла, можно оценить основной тип носителей заряда, их концентрацию и подвижность. Для Co2FeSi преобладающим типом носителей заряда при Т = 4,2 К оказались дырки с концентрацией n ≈ 9∙1022 cm-3 и подвижностью μ ≈ 7 cm2/(V∙c), что является типичным для металлов. Необходимо отметить, что исследуемый в данной работе сплав является поликристаллом, поэтому полученные оценки концентрации носителей заряда и подвижности носят качественный характер. При этом полученные значения хорошо согласуются с данными, полученными на монокристалле [11].

Магнитосопротивление

На рис. 5 приведены полевые зависимости поперечного магнитосопротивления perev07.wmf, где ρxx – удельное магнитосопротивление в магнитном поле B, ρ0 – удельное магнитосопротивление в поле B = 0 T. Видно, что магнитосопротивление ∆ρ/ρ0 не превышает десятых процента, а его величина ∆ρ/ρ0 > 0. В магнитных полях B ≥ 1,5 T, т.е. выше технического насыщения, наблюдается слабая зависимость ∆ρ/ρ0(B). Такую зависимость можно представить в виде известного для ферромагнетиков выражения [13]:

perev08.wmf (4)

где а, а0, а1 и а2 – постоянные.

perevez5.wmf

Рис. 5. Полевая зависимость магнитосопротивления ∆ρ/ρ0(B). Сплошная линия – результат обработки экспериментальных данных
согласно выражению (4)

Как видно из рис. 5, определяющую роль в полевой зависимости магнитосопротивления ∆ρ/ρ0(B) играет линейный по магнитному полю член (4). Этот линейный по полю вклад в магнитосопротивление можно объяснить известным «законом Капицы» – линейным магнитосопротивлением, возникающим в поликристаллических металлах, поверхность Ферми которых содержит открытые листы [15]. Квадратичный по магнитному полю вклад в поперечное магнитосопротивление ∆ρ/ρ0(B) не существенен по величине.

Заключение

В результате исследований электрических и магнитных свойств полуметаллического ферромагнитного сплава Гейслера Co2FeSi установлено, что при Т < ТС основной вклад в температурные зависимости его электросопротивления вносят процессы рассеяния носителей заряда со спином «вверх».

Намагниченность сплава Co2FeSi переходит в насыщение в полях выше 1,5 T. При этом достаточно большая величина спонтанного магнитного момента μS, полученная из экспериментальных данных М(B), близка к расчетному значению магнитного момента μteor .

Показано, что коэффициент нормального эффекта Холла R0 на два порядка меньше коэффициента аномального эффекта Холла RS. Полученные значения концентрации и подвижности носителей заряда оказались типичными для металлов.

Магнитосопротивление сплава Гейслера Co2FeSi не превышает десятых процента. Основную роль в формировании магнитосопротивления ∆ρ/ρ0(B) в области парапроцесса могут играть как процессы упорядочения магнитных неоднородностей во внешнем магнитном поле, так и особенности поверхности Ферми сплава Co2FeSi, приводящие в поликристаллическом образце к линейному магнитосопротивлению, т.е. «закону Капицы».

Данная работа выполнена в рамках государственного задания ФАНО России (тема «Спин», № АААА-А18-118020290104-2) при частичной поддержке РФФИ (проекты № 18-32-00686 и № 18-02-00739), программы фундаментальных научных исследований УрО РАН (проект № 18-10-2-37) и гранта № 14.Z50.31.0025 Министерства образования и науки РФ.


Библиографическая ссылка

Перевозчикова Ю.А., Семянникова А.А., Доможирова А.Н., Чистяков В.В., Емельянова С.М., Марченков В.В. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ПОЛУМЕТАЛЛИЧЕСКОГО ФЕРРОМАГНЕТИКА CO2FESI // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2018. – № 10. – С. 38-42;
URL: http://www.applied-research.ru/ru/article/view?id=12413 (дата обращения: 25.02.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074