1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Неорганические материалы
  4. T. 58, № 12, 2022

Неорганические материалы, 2022, T. 58, № 12, стр. 1287-1293

Электрические и магнитные свойства композита состава 80 мол. % α''-Cd2.76Mn0.24As2 и 20 мол. % MnAs

Л. А. Сайпулаева 1, А. И. Риль 2, *, А. М. Алиев 1, А. М. Гаджиев 3, М. Х. Аль-Онаизан 4, С. Ф. Маренкин 2, **

1 Институт физики им. Х.И. Амирханова ДФИЦ Российской академии наук
367003 Махачкала, ул. М. Ярагского, 94, Республика Дагестан, Россия

2 Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук
119991 Москва, Ленинский пр., 31, Россия

3 Дагестанский государственный университет
367000 Махачкала, ул. Магомеда Гаджиева, 43-а, Республика Дагестан, Россия

4 Национальный исследовательский технологический университет “МИСиС”
119991 Москва, Ленинский пр., 4, Россия

* E-mail: ril_alexey@mail.ru
** E-mail: marenkin@rambler.ru

Поступила в редакцию 18.05.2022
После доработки 08.07.2022
Принята к публикации 11.07.2022

Полный текст (PDF)

Аннотация

Синтезирован и охарактеризован методами РФА, ДТА и изучением микроструктуры композит, состоящий из 80 мол. % α''-Cd2.76Mn0.24As2 и 20 мол. % MnAs. Установлено, что композит является мягким ферромагнетиком с температурой Кюри 328 К, в интервале температур 4–300 К для него характерен металлический тип проводимости. Композит обладал высоким положительным магнетосопротивлением, достигавшим 600% в магнитном поле 8 Тл. Природа магнетосопротивления определяется воздействием силы Лоренца, которая подавляла влияние спин-магнитных моментов ферромагнетика MnAs. Линейный характер температурных и магнитных зависимостей сопротивления представляет практический интерес для использования композита как материала сенсоров температур и магнитного поля.

Ключевые слова: арсенид кадмия, дираковский топологический полуметалл, арсенид марганца, электросопротивление, намагниченность, магнитная восприимчивость

ВВЕДЕНИЕ

Интерес к композитам системы Cd3As2–MnAs во многом обусловлен уникальными свойствами входящих в их состав компонентов. В ранних исследованиях арсенида кадмия отмечалось, что он является узкозонным полупроводником с аномально высокой подвижностью носителей заряда [1–9]. Для Cd3As2 характерны полиморфные превращения α → α' → α'' → β-Cd3As2 [10–12]. Расчеты и анализ зонных структур α-Cd3As2 и α''-Cd3As2 [13–17]показали, что эти фазы могут рассматриваться как топологические дираковские 3D-полуметаллы, аналоги 2D-графена, с возможными эффектами значительного магнетосопротивления и сверхпроводимости. Экспериментальные исследования, выполненные на объемных [18–20] и пленочных [21–23] образцах, подтвердили эти предположения.

MnAs относится к металлам с дырочным типом проводимости и является мягким ферромагнетиком с температурой Кюри выше комнатой [24–26]. Арсенид марганца рассматривается как перспективный материал в энергоэффективном и безопасном для окружающей среды методе охлаждения с помощью магнетокалорического эффекта [26–28].

При исследовании композитов, состоящих из ферромагнетика (в данном случае MnAs) и высокопроводящей матрицы (Ca2.76Mn0.24As2) представлялось важным оценить химическую совместимость этих фаз и возможность использования в качестве материалов спинтроники [29–31]. В качестве объекта исследования выбран композит состава 80 мол. % α''-Cd2.76 Mn0.24As2–20 мол. % MnAs.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Синтез проводили вакуумно-ампульным методом из высокочистых элементов тройной системы Cd3As2–MnAs–CdAs2 [32]. Анализ результатов по растворимости марганца в Cd3As2 [7] показал, что состав синтезированных образцов должен быть Cd2.76Mn0.24As2, поэтому при синтезе, чтобы не отклониться от квазибинарности разреза Cd3As2–MnAs, вводился соответствующий избыток марганца. Образцы представляли собой плотные слитки массой ∼20 г с малым количеством пор и трещин. Внешний вид синтезированного образца представлен на рис. 1.

Рис. 1.

Внешний вид слитка состава 80 мол. % Cd2.76Mn0.24As2–20 мол. % MnAs.

Образцы исследовали с помощью рентгенофазового анализа (РФА), дифференциального термического анализа (ДТА), микроструктурного анализа (оптический микроскоп EPIQUANT). РФА проводили на дифрактометре BRUKER D8 ADVANCE (CuKα-излучение, λ = 0.1540 нм). Для расшифровки рентгенограмм использовали базу данных ICDD PDF-2 и программную среду Diffrac.Suite EVA. ДТА проводили на установке, откалиброванной по температурам плавления реперов (Sn, Zn, Ge, NaCl), с комьютерным управлением. Точность определения тепловых эффектов составляла ±2°С.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Исследование намагниченности и магнитной восприимчивости проводили с помощью СКВИД-магнетометра (Magnetic Property Measurement System-XL-7 EC) с чувствительностью при измерениях магнитного момента 1 × 10–8 Гс см3 в области температур 4–350К в режимах охлаждения в магнитном поле 100 Э (FC) и без магнитного поля (ZFC).

Полевые и температурные зависимости электросопротивления измеряли стандартным четырехзондовым методом в интервале температур 4–300 К в магнитных полях до 8 Тл на образцах электронного типа проводимости с концентрацией носителей заряда 1.7 × 1019 см3, подвижностью 4.9 × 103 см2/(В с) и удельным сопротивлением 7.7 × 10—5 Ом см.

На рис. 2 представлены дифрактограммы Cd2.76Mn0.24As2 и MnAs, взятых в качестве эталонов, а также дифрактограмма синтезированного образца, которая содержит рефлексы двух фаз: α''-Cd3As2 (пр. гр. P42/nmcs (03-065-2857 ICDD PDF-2)) и MnAs (пр. гр. P63/mmc (00-028-0644 ICDD PDF-2)). Следует отметить, что наличие фазы α''-Cd3As2 в композите подтверждает наши данные о ее стабилизации при введении марганца [7].

Рис. 2.

Дифрактограммы Cd2.76Mn0.24As2 (1), MnAs (2), композита 80 мол. % Cd2.76Mn0.24As2–20 мол. % MnAs (3).

На рис. 3 приведены ДТА-кривые нагревания и охлаждения композита. На кривой нагревания видны 3 эффекта, относящиеся к полиморфному превращению α → β-Cd3As2 при 560°C, к плавлению эвтектики при 593°C и ликвидусу при 710°C. На кривой охлаждения при кристаллизации наблюдается значительное переохлаждение, что типично для соединений, содержащих мышьяк.

Рис. 3.

ДТА-кривая образца состава 80 мол. % Cd2.76Mn0.24As2–20 мол. % MnAs.

Микроструктура образца состоит из двух фаз (рис. 4): светлая идентифицируется как MnAs, более темная – как α''-Cd2.76Mn0.24As2.

Рис. 4.

Микроструктура образца состава 80 мол. % Cd2.76Mn0.24As2–20 мол. % MnAs.

На рис. 5 представлены температурные зависимости магнитной восприимчивости χ. Видно, что при T ~ 310 K наблюдается резкое падение магнитной восприимчивости, что объясняется началом перехода из ферромагнитного в парамагнитное состояние. Температура Кюри TC, оцененная по точке перегиба кривой χ (T) (∂2χ)/∂T  2 = 0), составляет 328 K и согласуется с данными для арсенида марганца в композитах [9, 26–28].

Рис. 5.

Температурные зависимости магнитной восприимчивости композита 80 мол. % Cd2.76Mn0.24As2– 20 мол. % MnAs, охлажденного в магнитном поле 100 Э (FC) и без магнитного поля (ZFC).

На рис. 6 приведена зависимость магнитного момента от напряженности внешнего магнитного поля. Композит состава 80 мол. % α''-Cd2.76Mn0.24As2– 20 мол. % MnAs относится к мягким ферромагнетикам с величиной Hs ~ 5000 Э и Hc ~ 10 Э. На кривой ZFC (рис. 5) в диапазоне 280–50 К наблюдалась особенность: снижение величины магнитной восприимчивости и намагниченности на ~3.3%, преимущественно с 240 К. Такой вид ZFC характерен для эффекта фрустрации при переходе ферромагнетика в состояние спинового стекла.

Рис. 6.

Зависимость магнитного момента от внешнего поля для композита 80 мол. % Cd2.76Mn0.24As2– 20 мол. % MnAs.

На рис. 7 представлены температурные зависимости электросопротивления композита 80 мол. % α''-Cd2.76Mn0.24As2–20 мол. % MnAs в интервалах температур 4–300 К и магнитных полей 0–8 Тл. Измерения проводили при взаимно перпендикулярных направлениях векторов электрического и магнитного полей. С ростом температуры и величины магнитного поля наблюдается линейное увеличение сопротивления. Это свидетельствует о металлическом характере проводимости и о значительном положительном магнетосопротивлении композита.

Рис. 7.

Температурные зависимости сопротивления композита 80 мол. % α''-Cd2.76Mn0.24As2–20 мол. % MnAs в магнитных полях 0 (1), 2 (2), 4 (3), 8 Тл (4).

На рис. 8 представлены магнитополевые зависимости сопротивления при 4 K. Зависимость от направления полей указывает на наличие анизотропного магниторезистивного эффекта, характерного для ферромагнетиков. Эффект подавляется воздействием силы Лоренца, приводящей к появлению положительного магнетосопротивления. Это подтверждают магнитополевые зависимости, измеренные в диапазонах магнитных полей 0–8 Тл и температур 4–300 К, при перпендикулярной направленности векторов магнитного и электрического полей (рис. 9). Линейный характер изменения сопротивления от температуры и от магнитного поля выгодно отличает композит от фазы Cd3As2, для которой также характерен значительный магниторезистивный эффект, однако при этом отсутствует линейный характер зависимости от температуры и магнитного поля.

Рис. 8.

Магнетополевые зависимости сопротивления композита 80 мол. % α''-Cd2.76Mn0.24As2–20 мол. % MnAs при Т = 4 К и различном положении относительно внешнего поля.

Рис. 9.

Зависимости поперечного магнетосопротивления от поля для композита 80 мол. % α''-Cd2.76Mn0.24As2–20 мол. % MnAs при 4–300 К.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ температурных зависимостей электро- и магнетосопротивления позволил установить, что в композите наблюдаются металлический характер проводимости и положительное магнетосопротивление, что свидетельствует о преимущественном влиянии дираковского топологического полуметалла на проводимость композита. Вместе с тем наличие анизотропного магниторезистивного эффекта свидельствует о влиянии спин-магнитных моментов ферромагнетика MnAs на характер проводимости композита. При температуре 240 К в слабых магнитных полях в композите наблюдается состояние, аналогичное спиновому стеклу.

Список литературы

  1. Turner W.J., Fischler A.S., Reese W.E. Physical Properties of Several II-V Semiconductors // Phys. Rev. 1961. V. 121. P. 759–767. https://doi.org/10.1103/PhysRev.121.759

  2. Steigmann G.A., Goodyear J. The Crystal Structure of Cd3As2 // Acta Crystallogr., Sect B. 1968. V. 24. P. 1062–1067. https://doi.org/10.1107/S0567740868003705

  3. Pietraszko A., Lukaszewicz K. Thermal Expansion and Phase Transitions of Cd3As2 and Zn3As2 // Phys. Status. Solidi. 1973. V. 18. P. 723–730. https://doi.org/10.1002/pssa.2210180234

  4. Arushanov E.K. Crystal Growth and Characterization of II3V2 Compounds // Prog. Cryst. Growth Charact. 1981. V. 3. P. 211–255. https://doi.org/10.1016/0146-3535(80)90020-9

  5. Arushanov E.K. II3V2 Compounds and Alloys // Prog. Cryst. Growth Charact. 1992. V. 5. P. 131–201. https://doi.org/10.1016/0960-8974(92)90030-T

  6. Изотов А.Д., Саныгин В.П. Возможный механизм полиморфного превращения в Cd3As2 // Изв. АН. СССР. Неорган. материалы. 1982. Т. 18. № 4. С. 680–681.

  7. Ril’ A.I., Marenkin S.F., Volkov V.V., Oveshnikov L.N., Kozlov V.V. Formation of the α''-phase and Study of the Solubility of Mn in Cd3As2 // J. Alloys Compd. 2022. V. 892. P. 162082. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021

  8. Liang T., Gibson Q., Ali M. N., Liu M., Cava R.J., Ong N.P. Ultrahigh Mobility and Giant Magnetoresistance in the Dirac Semimetal Cd3As2 // Nat. Mater. 2015. V. 14. № 3. P. 280–284. https://doi.org/10.1038/nmat4143

  9. Ril A.I., Marenkin S.F. Cadmium Arsenides: Structure, Synthesis of Bulk and Film Crystals, Magnetic and Electrical Properties (Review) // Russ. J. Inorg. Chem. 2021. V. 66. № 14. P. 2005–2016. https://doi.org/10.1134/S0036023621140059

  10. Zdanowicz W., Kloc K., Burian A., Rzepa B., Zdanowicz E. Preparation and Structure of (Cd1–xMnx)3As2 // Cryst. Res. Technol. 1983. V. 18. P. 25–27. https://doi.org/10.1002/crat.2170180128

  11. Denissen C.J.M., Nishihara H., Gool J.C., W.J.M. de Jonge. Magnetic Behavior of the Semimagnetic Semiconductor (Cd1–xMnx)3As2 // Phys. Rev. B. 1986. V. 33. № 11. P. 7637. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.33.7637

  12. Celinski Z., Burian A., Rzepa B., Zdanowicz W. Preparation, Structure and Magnetic Properties of (Cd1–xMnx)3As2 Crystals // Mater. Res. Bull. 1987. V. 22. P. 419–426. https://doi.org/10.1016/0025-5408(87)90061-4

  13. Ali M.N., Gibson Q., Jeon S., Zhou B.B., Yazdani Ali, Cava R.J. The Crystal and Electronic Structures of Cd3As2, the Three Dimensional Electronic Analogue of Graphene // Inorg. Chem. 2014. V. 53. № 8. P. 4062–4067. https://doi.org/10.1021/ic403163d

  14. Borisenko S., Gibson S.Q., Evtushinsky D., Zabolotnyy V., Büchner B., Cava R.J. Experimental Realization of a Three-Dimensional Dirac Semimetal // Phys. Rev. Lett. 2014. V. 113. P. 027603. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.027603

  15. Liu Z.K., Jiang J., Zhou B., Wang Z.J., Zhang Y., Weng H.M., Prabhakaran D., Mo S.-K., Peng H., Dudin P., Kim T., Hoesch M., Fang Z., Dai X., Shen Z.X., Feng D.L., Hussain Z., Chen Y.L. A Stable Three-Dimensional Topological Dirac Semimetal Cd3As2 // Nat. Mater. 2014. V. 13. P. 677–681. https://doi.org/10.1038/NMAT3990

  16. Wang Z., Weng H., Wu Q., Dai X., Fang Z. Three-Dimensional Dirac Semimetal and Quantum Transport in Cd3As2 // Phys. Rev. B. 2013. V. 88. P. 125427. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.88.125427

  17. Шелкачев Н.М., Яржемский В.Г. Влияние кристаллической структуры и примесей 3d-элементов на электронное строение топологического материала Cd3As2 // Неорган. материалы. 2018. Т. 54. № 11. С. 1157–1162. https://doi.org/10.1134/S0002337X18110118

  18. Li H., He H.T., Lu H.Z., Zhang H., Liu H., Ma R., Fan Z., Shen S.Q., Wang J. Negative Magnetoresistance in Dirac Semimetal Cd3As2 // Nat. Commun. 2016. V. 7. P. 10301. https://doi.org/10.1038/ncomms10301

  19. Feng J., Pang Y., Wu D., Wang Z., Weng H., Li J., Dai X., Fang Z., Shi Y., Lu L. Large Linear Magnetoresistance in Dirac Semimetal Cd3As2 with Fermi Surfaces Close to the Dirac Points // Phys. Rev. B. 2015. V. 92. P. 081306. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.92.081306

  20. Aggarwal L., Gaurav A., Thakur G.S., Haque Z., Ganguli A.K., Sheet G. Unconventional Superconductivity at Mesoscopic Point Contacts on the 3D Dirac Semimetal Cd3As2 // Nat. Mater. 2016. V. 15. № 1. P. 32–37. https://doi.org/10.1038/NMAT4455

  21. Mekhiya A.B., Kazakov A.A., Oveshnikov L.N., Davydov A.B., Ril A.I., Marenkin S.F., Aronzon B.A. Quantum Corrections and Magnetotransport in 3D Dirac Semimetal Cd3–xMnxAs2 Films // Semiconductors. 2019. V. 53. № 11. P. 1439–1444. https://doi.org/10.1134/S1063782619110137

  22. Li C.Z., Wang L.X., Liu H., Wang J., Liao Z.M., Yu D.P. Giant Negative Magnetoresistance Induced by the Chiral Anomaly in Individual Cd3As2 Nanowires // Nat. Commun. 2015. V. 6. P. 10137. https://doi.org/10.1038/ncomms10137

  23. Liu Y.W., Tiwari R., Narayan A., Jin Z., Yuan X., Zhang C., Chen F., Li L., Xia Z., Sanvito S., Zhou P., Xiu F. Cr Doping Induced Negative Transverse Magnetoresistance in Cd3As2 Thin Films // Phys. Rev. B. 2018. V. 97. P. 085303. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.97.085303

  24. Nascimento F.C., Santos A.O., Campos A., Gamma S., Cardos L.P. Structural and Magnetic Study of the MnAs Magnetocaloric Compound // Mater. Res. 2006. V. 9. P. 111–114. https://doi.org/10.1590/S1516-14392006000100021

  25. Marenkin S.F., Kochura A.V., Izotov A.D., Vasil’ev M.G. Manganese Pnictides MnP, MnAs, and MnSb are Ferromagnetic Semimetals: Preparation, Structure, and Properties (a Survey) // Russ. J. Inorg. Chem. 2018. V. 63. № 14. P. 1753–1763. https://doi.org/10.1134/S0036023618140036

  26. Govor G.A. First-Order Phase Transition in Manganese Arsenide // Phys. Solid State. 2015. V. 57. P. 871–872. https://doi.org/10.1134/S1063783415050121

  27. Маренкин С.Ф., Аронов А.Н., Федорченко И.В., Желудкевич А.Л., Хорошилов А.В., Козлов В.В., Васильев М.Г. Калориметрические и магнитные измерения перехода в MnAs из ферромагнитного впарамагнитное состояние // Неорган. материалы. 2018. Т. 54. № 9. С. 913–917. https://doi.org/10.1134/S0002337X18090087

  28. Govor G.A., Mitsiuk V.I., Nikitin S.A., Pankratov N.Yu., Smarzhevskaya A.I. Magnetostructural Phase Transitions and Magnetocaloric Effect in Mn(As,P) Compounds and Their Composites // J. Alloys Compd. 2019. V. 801. P. 428–437. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.05.345

  29. Маренкин С.Ф., Федорченко И.В., Изотов А.Д., Васильев М.Г. Физико-химический анализ систем полупроводник-ферромагнетик как основа синтеза магнитногранулированных структур спинтроники // Неорган. материалы. 2019. Т. 55. № 9. С. 920–926. https://doi.org/10.1134/S0002337X19090069

  30. Пашкова О.Н., Изотов А.Д., Саныгин В.П., Ефимов Н.Н., Васильев М.Г. Ферромагнетизм сплавов на основе антимонида индия, легированного Mn и Ni // Неорган. материалы. 2019. Т. 55. № 9. С. 941–945. https://doi.org/10.1134/S0002337X19090148

  31. Аминов Т.Г., Шабунина Г.Г., Бушева Е.В., Ефимов Н.Н. Магнитная диаграмма твердых растворов Fex(Cu0.5In0.5)1–xCr2S4 // Неорган. материалы. 2020. Т. 56. № 9. С. 931–942. https://doi.org/10.31857/S0002337X20090018

  32. Риль А.И., Федорченко И.В., Маренкин С.Ф., Кочура А.В., Кузько А.Е. Фазовые равновесия в тройной системе CdAs2–Cd3As2–MnAs // Журн. неорган. химии. 2017. Т. 62. № 7. С. 977–987. https://doi.org/10.7868/S0044457X17070200

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Неорганические материалы

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал