Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 6, стр. 852-855

Диоксид хрома (CrO₂) известен как половинный металл (half metal) типа I_A, у которого на уровне Ферми (E_F) имеются только электроны со спинами, направленными вверх (↑). Прессованные порошки диоксида хрома представляют собой кооперативную систему магнитных туннельных контактов с перколяционным характером проводимости при низких температурах. Поскольку диоксид хрома широко используется в производстве жестких дисков с высокой плотностью записи информации, большое внимание исследователей и технологов привлекает проблема повышения коэрцитивной силы порошка CrO₂. Чем больше коэрцитивная сила, тем выше способность материала противостоять размагничивающим полям. Максимальное значение коэрцитивной силы характерно для магнитного материала, состоящего из однодоменных частиц. Таким образом, получение порошков с высокой коэрцитивной силой сводится, в частности, к задаче синтеза однодоменных наночастиц диоксида хрома. Эту задачу можно решить, контролируя размеры и форму наночастицы путем использования малого количества модифицирующих добавок в процессе гидротермального синтеза [1].

С другой стороны, даже в системе однодоменных частиц небольшая часть гранул находится в многодоменном состоянии. Многодоменное состояние возникает за счет незначительного разброса размеров гранул, а также из-за слабых туннельных барьеров между некоторыми гранулами. Небольшой разброс размеров гранул и толщин диэлектрических оболочек гранул приводит к перколяционному характеру проводимости, которая определяется наличием “оптимальных” цепочек гранул с максимальной вероятностью туннелирования для смежных пар, образующих проводящую цепочку [2]. В условиях активированной проводимости количество проводящих цепочек непрерывно уменьшается с понижением температуры, и при достаточно низкой температуре перколяционная сетка может даже свестись к одному проводящему каналу [2]. Эти “оптимальные” цепочки неизбежно имеют какое-то количество слабых звеньев (высокоомных туннельных переходов) с повышенной энергией активации, которые и определяют активированный характер суммарной измеренной проводимости. С понижением температуры происходит постепенное изменение конфигурации бесконечного проводящего “кластера” и уменьшение его плотности. Это приводит к изменению соотношения между количеством многодоменных частиц, участвующих в проводимости, и общим количеством однодоменных частиц, большая часть которых при низких температурах не участвует в процессе переноса заряда. Многодоменный характер гранул бесконечного проводящего кластера будет влиять на его магнитные свойства и на характер температурной зависимости коэрцитивной силы транспортных каналов.

Цель работы – обнаружить и проанализировать возможное отличие коэрцитивной силы макроскопической системы ферромагнитных (ФМ) гранул от коэрцитивной силы транспортных каналов, формирующих перколяционную сетку при низких температурах.

Коэрцитивную силу H_c макроскопической системы определяют из измерений гистерезиса глобальной намагниченности прессованных порошков при фиксированной температуре. Величина H_c определяется полями анизотропии, блокирующими процесс перемагничивания. Коэрцитивная сила H_p системы ФМ гранул, формирующих транспортные каналы, соответствует полю максимума положительного магнитосопротивления (МС) (рис. 1). Величина H_p определяется из транспортных измерений гистерезиса МС.

Рис. 1.

Гистерезис МС прессованного порошка CrO₂ (порошок № 1) при T = 30.03 К. Стрелки указывают направление изменения магнитного поля при записи кривых МС. Поле H_p соответствует магнитному полю, при котором достигается максимальное значение сопротивления R(H).

В данной работе мы рассматриваем зависимость коэрцитивной силы от температуры для нескольких прессованных порошков диоксида хрома, состоящих из наночастиц, покрытых диэлектрическими оболочками разного типа и разной толщины. Основные характеристики исследованных порошков приводятся в таблице.

Ранее в работах [3, 4] было обнаружено сильное различие величин H_p и H_c в области низких температур. Это различие хорошо видно на рис. 2, на котором для порошка № 2 показаны участки гистерезисов туннельного МС и намагниченности в области малых полей. Видно, что для этого порошка при T = 5 K H_p < H_c, а при T = 20 K H_p > H_c. Таким образом, при низких температурах соотношение H_p ≈ H_c для образца № 2 не выполняется.

Рис. 2.

Гистерезисы МС (левая ось ординат) и намагниченности (правая ось ординат) образца № 2 при температурах 5 (а) и 20 K (б) в области малых полей.

Рисунок 3 демонстрирует температурные зависимости H_c и H_p, записанные в интервале температур 5–300 K, для образцов 1, 3 и 4. Обычно для ферромагнетиков величина H_c максимальна при низких температурах и уменьшается с повышением температуры (в пределе до нуля при приближении к температуре Кюри T_C). Зависимость H_c(T) на рис. 3 соответствует такому поведению. В то же время зависимость H_p(T) оказалась необычной. Особенность поведения H_p(T) заключается в следующем. Во-первых, для образцов № 1, 3, 4, как и для образца № 2, не выполняется соотношение H_p ≈ H_c, ожидаемое и наблюдаемое для прессованных порошков с достаточно малыми (субмикронными) размерами, включая и порошки CrO₂ [5, 6]. Во-вторых, зависимость H_p(T) немонотонна. В области 50–100 К величина H_p значительно превышает H_c, а при дальнейшем повышении температуры разница между H_p и H_c существенно уменьшается. В области низких температур (T < 50 K) наблюдается смена знака производной dH_p/dT и резкое уменьшение H_p с понижением температуры. При этом в области температур T ≤ 20 K отношение H_p/H_c быстро уменьшается с понижением температуры.

Рис. 3.

Температурные зависимости поля H_p (пик положительного МС) и коэрцитивной силы H_c (правая ось ординат) трех различных образцов: а – образец № 1, б – образец № 3, в – образец № 4.

“Оптимальные” проводящие цепочки гранул, дающие основной вклад в проводимость, преимущественно состоят из многодоменных частиц. Локальные величины H_c1 этих многодоменных частиц существенно меньше, чем H_c однодоменных частиц (H_c1 < H_c), поэтому при низких температурах должно выполняться соотношение H_p < H_c, где H_p – коэрцитивная сила бесконечного проводящего кластера. При понижении температуры происходит постепенное “вымораживание” транспортных каналов. В этом процессе “выживают” кластеры, в которых количество многодоменных частиц больше. По-видимому, это и приводит к дальнейшему уменьшению H_p кластера с понижением температуры.

В то же время в значительной степени неясной остается обнаруженная в данной работе немонотонная зависимость H_p(Т) (наличие максимума H_p) и выполнение соотношения H_p > H_c в области сравнительно низких температур T ≈ 30–50 K. Более высокие значения H_p наблюдались, в частности, и для порошков манганитов La_2/3Sr_1/3MnO₃, состоящих из многодоменных частиц [7]. В работе [7] в результате исследования пяти образцов с разным размером зерна было показано, что для многодоменных частиц манганитов выполняется соотношение H_p ≠ H_c. Причем величина H_p превышает H_c и постепенно увеличивается при увеличении размера зерна. При уменьшении размеров частиц значение H_p стремится к H_c, и, когда размер частиц приближается к критическому размеру однодоменности, начинает выполняться соотношение H_p ≈ H_c. Авторы работы [7] полагают, что более высокие значения H_p по сравнению с H_c связаны с особенностями перемагничивания объема многодоменных зерен и области, близкой к границе зерна. Когда внутри объема зерна большая часть доменов переключается, домены, близкие к интерфейсу между соседними гранулами, остаются дезориентированными, давая заметный вклад в проводимость, который не зависит от измеренного полного магнитного момента.

Несмотря на достигнутое понимание, мы полагаем, что многие аспекты проблемы соотношения H_p и H_c до сих пор остаются неясными и требуют дальнейших исследований.