Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,580

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ФЕРРОМАГНИТНЫХ СПЛАВОВ ГЕЙСЛЕРА CO2YZ (Y=CR, TI, V; Z=AL, GA)

Перевозчикова Ю.А. 1 Коуров Н.И. 1 Емельянова С.М. 1 Белозерова К.А. 1 Дякина В.П. 1 Марченкова Е.Б. 1 Чистяков В.В. 1 Вишняков А.А. 2 Марченков В.В. 1, 2
1 Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН
2 Уральский федеральный университет
Полуметаллические ферромагнитные сплавы являются перспективными материалами для спиновой электроники, поэтому интересно изучать их электрические свойства. В данной работе исследовано электросопротивление r (проводимость s) полуметаллических ферромагнитных сплавов Гейслера на основе кобальта (Co2CrAl, Co2TiAl, Co2VAl, Co2CrGa) в широком температурном диапазоне от 4.2 K до 800 K. Обнаружены аномалии в температурных зависимостях электрического сопротивления исследованных полуметаллических ферромагнитных сплавов Гейслера, а именно, большая величина остаточного электрического сопротивления, экстремумы (максимумы и минимумы) сопротивления вблизи температуры Кюри, отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Данное поведение можно объяснить в рамках двухтоковой модели проводимости, которая учитывает существование энергетической щели для одного из направлений спина в электронном спектре вблизи уровня Ферми EF.
полуметаллический ферромагнетик
сопротивление
проводимость
сплавы Гейслера
1. Katsnelson M.I. Half-metallic ferromagnets: From band structure to many-body effects / M.I. Katsnelson, V.Yu. Irkhin, L. Chioncel, A.I. Lichtenstein, R.A. de Groot // Rev. Mod. Phys. – 2008. – V. 80. – P. 315.
2. Shreder E. Evolution of the electronic structure and physical properties of Fe2MeAl (Me = Ti, V, Cr) Heusler alloys / E. Shreder, S.V. Streltsov, A. Svyazhin, A. Makhnev, V.V. Marchenkov, A. Lukoyanov, H.W. Weber // J.Phys: Condens. Matter. – 2008. – V. 20. – P. 45212.
3. Коуров Н.И. Магнитные и электрические свойства полуметаллического ферромагнетика Co2CrAl / Н.И. Коуров, А.В. Королёв, В.В. Марченков, А.В. Лукоянов, К.А. Белозерова // ФТТ. – 2013. – № 55. – С. 899.
4. Kandpal H.C., Fecher G.H., Felser C. Calculated electronic and magnetic properties of the half-metallic, transition metal based Heusler compounds // J.Phys.D: Appl.Phys. – 2007. – V. 40. – P. 1507.
5. Kourov N.I. Magnetic and electrical properties of the half-metallic ferromagnets Co2CrAl / N.I. Kourov, A.V. Korolev, V.V. Marchenkov, A.V. Lukoyanov, K.A. Belozerova // Phys.Solid State. – 2013. – V. 55. – P. 977.
6. Graf T. Electronic structure and transport properties of the Heusler compound Co2TiAl / T. Graf, G.H. Fecher, J. Barth, J. Winterlik, C. Felser // J.Phys.D: Appl.Phys. – 2009. – V. 42. – P. 084003.
7. Kanomata T. Magnetic properties of the half-metallic Heusler alloys Co2VAl and Co2VGa under pressure / T. Kanomata, Y. Chieda, K. Endo, H. Okada, M. Nagasako, K. Kobayashi, R. Kainuma, R.Y. Umetsu, H. Takahashi, Y. Furutani, H. Nishihara, K. Abe, Y. Miura, M. Shirai // Phys. Rev. B. – 2010. – V. 82. – P. 144415.
8. Kourov N.I. Peculiarities of the electronic transport in Co2CrAl and Co2CrGa half-metallic ferromagnets / N.I. Kourov, V.V. Marchenkov, A.V. Korolev, K.A. Belozerova, H.W. Weber // Curr. Appl. Phys. – 2015. – V. 15. – P. 839.
9. Shcherbakov A.S., Prekul A.F., Pomortsev R.V. Activation conductivity of alloys with a negative temperature coefficient of resistance (TCR) // JETF Letters. – 1980. – V. 32. – P. 401.
10. Mott N.F. Conduction in Non-crystalline Materials III. Localized States in a Pseudogap and Near Extremities of Conduction and Valence Bands // Philos. Mag. – 1969. – V. 19. – P. 835.

В настоящее время развиваются новые направления науки, в том числе спинтроника. Для устройств спинтроники необходимы новые магнитные материалы с высокой степенью спиновой поляризации носителей заряда. Одними из таких перспективных материалов являются полуметаллические ферромагнетики (ПМФ) [1]. Было предсказано, что некоторые из сплавов Гейслера – интерметаллических соединений типа X2YZ со структурой L21 (X, Y – переходные металлы, Z – элементы III-V групп), проявляют черты полуметаллического ферромагнетизма. Главная особенность таких материалов – существование щели в зонной структуре для носителей тока с одним направлением спина и её отсутствие для носителей с противоположным спином, что характерно для зонной структуры металла. Это может привести к 100 % поляризации носителей заряда, что, в свою очередь, можно использовать в спинтронике. Обычно эта особенность электронного спектра выявляется в результате «первопринципных» зонных расчетов и экспериментально обнаруживается при измерении оптических характеристик (например, [2]). В частности, такие особенности наблюдали и в сплавах Гейслера на основе Co2YZ. Значительные изменения спектральных параметров в зависимости от температуры и, особенно, при переходе из ферромагнитного в парамагнитное состояние, могут также повлиять на поведение других свойств данных материалов, в том числе и на удельное электросопротивление r(T).

В связи с этим, поставленная цель данной работы – изучение роли «щелевых» особенностей в электросопротивлении ПМФ сплавов на основе Co2YZ. Поэтому были измерены температурные зависимости электросопротивления r(T) сплавов Co2YZ (Y = Cr, Ti, V; Z = Al, Ga) в широком интервале температур 4 ≤ Т ≤ 800 К.

Материалы и методы исследования

Сплавы Co2CrAl, Co2TiAl, Co2VAl, Co2CrGa были изготовлены методом дуговой плавки в атмосфере аргона. Плавление проводилось в течение 24 часов при Т = 1123 К с последующим охлаждением до комнатной температуры. Атомное содержание элементов в сплавах контролировалось с помощью сканирующего электронного микроскопа FEI Company Quanta 200, оснащенного приставкой рентгеновского микроанализа EDAX. Исследования показали, что для всех изученных сплавов отклонения от стехиометрического состава являются незначительными, и в сплавах сформирована структура L21. Расчеты зонной структуры продемонстрировали (см., например, [3, 4]), что рассматриваемые сплавы являются полуметаллическими ферромагнетиками. Электросопротивление определялось с помощью стандартной четырехконтактной методики.

Результаты исследования и их обсуждение

perev1a.wmf

а)

perev1b.wmf

б)

perev1c.wmf

в)

perev1d.wmf

г)

Рис. 1. Температурные зависимости электросопротивления а) – Co2CrAl, б) – Co2TiAl, в) – Co2Val, г) – Co2CrGa

Температурные зависимости сопротивления представлены на рис. 1, а в таблице – значения температуры Кюри и остаточного электросопротивления исследуемых сплавов Co2MeAl (Me = Cr, Ti, V). Видно, что величины остаточного электросопротивления r0 и вид зависимостей r(Т) сплавов значительно отличаются друг от друга. Так для сплава Co2TiAl r0 = 0.4 μΩ?m, а для для Co2TiAl r0 = 2.34 μΩ?m. Сопротивление одних сплавов возрастает с ростом температуры, а на r(Т) других имеются участки с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). При температуре вблизи температуры Кюри, на зависимостях электросопротивления наблюдаются изломы и/или экстремумы. С чем связано такое существенное различие в поведении электросопротивления этих сплавов? Поскольку эти соединения относятся к ПМФ, то можно предположить, что это и связано с особенностями их электронного спектра, а именно, с энергетической щелью на уровне Ферми.

Согласно литературным данным [см., например, 8], в ПМФ сплавах существует два канала проводимости: один для электронов со спином вверх, а другой – для электронов со спином вниз. Первый канал проводимости s↑ имеет обычную зависимость от температуры, как для ферромагнитного металла, то есть:

per01.wmf (1)

где r0 – остаточное сопротивление, rее, rph, rm – вклады в общее электросопротивление от электрон-электронного, электрон-фононного и электрон-магнонного рассеяний, соответственно.

Второй канал проводимости s↓ для электронов со спином вниз должен зависеть от параметров энергетической щели в электронном спектре вблизи уровня Ферми. Проводимость s↓ должна иметь либо экспоненциальную зависимость, т.е. s↓ ~ exp(-T/T0), где Т0 – температура щели, либо степенную зависимость s↓ ~ Тn, где n – показатель степени. Так как оба канала проводимости s↑ и s↓ имеют полностью отличающиеся температурные зависимости, т.е. s↑ уменьшается, а s↓ – увеличивается с возрастанием температуры, то могут легко проявиться некоторые особенности электросопротивления r(Т) (проводимости s(Т)) – отрицательный температурный коэффициент сопротивления, экстремумы вблизи Тс и высокие значения остаточного сопротивления, что и наблюдаются в эксперименте (рис. 1). Представляет интерес и поиск экспоненциальной зависимости сопротивления (проводимости) от Т. Отметим, что температурная зависимость проводимости (сопротивления), пропорциональная exp(-B/T1/4), где B – коэффициент, действительно наблюдалась в высокорезистивных сплавах ([9]). Данная зависимость подобна закону Мотта «Т1/4» [10] с механизмом прыжковой проводимости при переменной длине прыжка. Было высказано предположение, что проводимость исследованных сплавов тоже может быть пропорциональна exp(-B/T1/4). Чтобы подтвердить это предположение, было изучено сопротивление (проводимость) сплавов Co2MeAl (Me = Cr, Ti, V).

Для анализа экспериментальных данных была использована концепция сосуществования упругого и неупругого рассеяний электронов [9]. Согласно [9], температурная зависимость проводимости высокорезистивных сплавов может быть записана как

s = s(0) + sin = s(0) + A?exp(-B/T1/4), (2)

где А, В – коэффициенты, s(0) – обычная проводимость металлов, обусловленная процессами упругих рассеяний носителей тока и sin – проводимость, связанная с неупругим рассеянием носителей заряда. Проводимость s(0) включает остаточную проводимость, проводимость электрон-электронного и электрон-фононного взаимодействий. Предполагается, что sin >> s(0).

На рис. 2 изображены температурные зависимости проводимости в координатах ln[s(T)-s(0)] от T-1/4 для сплавов Co2YZ (Y = Cr, Ti, V; Z = Al, Ga). Видно, что проводимость s ~ А?exp(-B/T1/4) в широком интервале температур, что также может быть проявлением особенностей электронной зонной структуры вблизи уровня Ферми EF этих сплавов [9].

Значения температур Кюри ТС и остаточного сопротивления r0

Сплав

Co2CrAl

Co2TiAl

Co2VAl

Co2CrGa

ТC, К

305[5]

120[6]

357[7]

495 [8]

r0, μΩ?m

1.5

0.4

2.34

1.28

perev2a.wmf

а)

perev2b.wmf

б)

perev2c.wmf

в)

perev2d.wmf

г)

Рис. 2. Зависимость ln[σ(T)-σ(0)] от T1/4 а) – Co2CrAl, б) – Co2TiAl, в) – Co2Val, г) – Co2CrGa

Заключение

В данной работе показано, что температурные зависимости электросопротивления полуметаллических ферромагнитных сплавов Гейслера на основе Со, преимущественно определяются особенностями их зонной структуры. Присутствие энергетической щели на уровне Ферми ЕF в одной из подзон носителей тока со спином вниз может привести к аномалиям в сопротивлении, т.е. к высокому остаточному сопротивлению, экстремумам вблизи температуры Кюри и к отрицательному температурному коэффициенту сопротивления. Обнаружено, что в этих высокорезистивных сплавах при высоких температурах проводимость пропорциональна exp(-B/T1/4).

Работа выполнена по плановому государственному заданию (тема «Спин» № 01201463330) при частичной поддержке Комплексной программы УрО РАН (проект № 15-17-2-12), проекта РФФИ (грант № 15-02-06686) и молодежного проекта РФФИ (грант № 16-32-00072).


Библиографическая ссылка

Перевозчикова Ю.А., Коуров Н.И., Емельянова С.М., Белозерова К.А., Дякина В.П., Марченкова Е.Б., Чистяков В.В., Вишняков А.А., Марченков В.В. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ФЕРРОМАГНИТНЫХ СПЛАВОВ ГЕЙСЛЕРА CO2YZ (Y=CR, TI, V; Z=AL, GA) // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2016. – № 3-4. – С. 539-542;
URL: http://www.applied-research.ru/ru/article/view?id=8928 (дата обращения: 04.03.2021).

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