Magnetic properties of Mn1–xGdxSe solid solutions

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Study of the materials for spintronics operating under extreme conditions based on manganese selenides substituted with gadolinium are investigated. The technology of synthesis of solid solutions based on solid-phase reactions using MnSe and GdSe compounds is presented. As a result, Mn1-xGdxSe solid solutions with concentrations x = 0.05; 0.1; 0.15 and 0.5 were synthesized. The synthesis was carried out under vacuum conditions of 10–2 Pa. The products of the primary synthesis were subjected to thorough grinding into powders, from which tablets were made under pressure for homogenizing annealing at 1370 K. After two hours of exposure, the synthesis products were tempered in cold water. At the final stage, homogeneous strong ingots of grayish-silver color were obtained. X-ray phase analysis of synthesized solid solutions of the Mn1-xGdxSe system was performed in Cu-Ka radiation in the point-by-point measurement mode with a scanning step along the angle Δ2θ = 0,03 degree, the time of information collection at the reference point Δτ =3 seconds. The spatial symmetry group and the parameter of the elementary crystal cell of solid solutions of the Mn1–xGdxSe system from X-ray diffraction analysis are determined. The dependence of the parameter value of the crystal lattice of solid solutions on the concentration of gadolinium ions is found. The specific magnetization was measured by the ponderomotor method in a magnetic field with an induction of B = 0.86 Tesla and the magnetic susceptibility of the samples was determined in the temperature range of 80 ≤ T ≤ 950 K. The cycles carried out in the heating – cooling mode did not detect a change in properties. The Neel temperatures and the paramagnetic Curie temperature are determined from the Curie – Weiss law depending on the concentration of a rare earth element. A decrease in the temperature of the magnetic phase transition is established.

Full Text

Введение

В космической отрасли микроэлектроника должна работать в экстремальных условиях. Малые космические аппараты находятся на околоземной орбите, где температура меняется от 180 до 400 К и электроника должна функционировать при этих температурах, поэтому повышен интерес к магнитным полупроводникам, способным работать в широком диапазоне температур. В магнитных полупроводниках транспортные свойства зависят от магнитной структуры [1–6]. Корреляция намагниченности и проводимости детально исследовалась теоретически и экспериментально в манганитах [7–11]. Магнитные характеристики зависят от упругой системы, и при некоторых критических параметрах магнитная структура кардинально меняется [12–16]. Дальний магнитный порядок зависит от размерности системы [17–20]. В сульфидах марганца, замещенных 3d элементами, меняется магнитная структура [21–23]

В связи с этим, представляет интерес синтез, изучение магнитных свойств в зависимости от химического состава, температуры, магнитного поля твердых растворов при катионном замещении в системе Mn1–xGdxSe. Моноселенид марганца – антиферромагнетик и полупроводник р-типа [24]. Предполагалось, что замещение катионов марганца ферромагнитным металлом Gd в твердых растворах может создать условия для проявления ферромагнитных свойств. При сохранении полупроводниковых свойств основной матрицы MnSe создается возможность для перехода от антиферромагнитного полупроводника р-типа к ферромагнитному полупроводнику с проводимостью n-типа. Цель настоящей работы – синтез твердых растворов в квазибинарном разрезе MnSe – GdSe, изучение особенностей их кристаллической структуры, а также магнитных характеристик твердых растворов в зависимости от состава и температуры.

Синтез твердых растворов Mn1–xGdx Se и методы эксперимента

Образцы твердых растворов Mn1–xGdxSe синтезированы методом твердофазных реакций. Моноселениды марганца и гадолиния синтезированы из порошков исходных химических элементов: electrolytic manganese metal (99,6 %); gadolinium (–40mesh, 99 % metals basis) Aldrich chemistry; селен элементарный (осч. 17–4). На основе базовых соединений MnSe и GdSe синтезированы твердые растворы Mn1-xGdxSe составов х = 0,05; 0,1; 0,15 и 0,5. Синтез осуществлен в условиях вакуума 10–2 Па. Продукты первичного синтеза подвергались тщательному измельчению в порошки. Под давлением сформированы таблетки для гомогенизирующего отжига при 1370 К. После двухчасовой выдержки продукты синтеза закалялись в холодной воде. На завершающем этапе получены однородные прочные слитки серовато-серебристого цвета. Рентгенофазовый анализ синтезированных твердых растворов системы Mn1–xGdxSe выполнен в Cu-Ka-излучении в режиме измерений по точкам: шаг сканирования по углу Δ2θ = 0,03 degree, время набора информации в точке отсчета Δτ = 3 с. Температурные зависимости удельной магнитной восприимчивости изучены пондеромоторным методом в магнитном поле с индукцией В = 0,86 Тесла и интервале температур ~80 ≤ Т ≤ 950 К [25–26]. Погрешность измерения магнитной восприимчивости образца известной массы – Δχ ±1·10–11 м3·кг–1. Погрешность измерения удельной намагниченности, отнесенной к массе измеряемого образца, составляет Δσ ± 0,005 А·м2·кг–1.

Результаты эксперимента

Синтезированы соединения MnSe, GdSe и твердые растворы Mn0.95Gd0.05Se, Mn0.9Gd0.1Se, Mn0.85Gd0.15Se. На рентгенограммах твердых растворов на основе MnSe рефлексы индицируются исходя из кубической ячейки пространственной группы Fm3m. По результатам рентгенографических исследований определены величины параметра а элементарной кристаллической ячейки твердых растворов системы Mn1–xGdxSe. Зависимость a = f(x) представлена на рис. 1.

 

Рис. 1. Параметр а элементарной кристаллической ячейки твердых растворов системы Mn1–xGdxSe от концентрации

Fig. 1 Parameter a of the elementary crystal cell of solid solutions of the Mn1–xGdxSe system from the concentration

 

Результаты измерений температурной зависимости магнитной восприимчивости 10–2/χ = f(T) твердых растворов Mn0.95Gd0.05Se, Mn0.9Gd0.1Se, и соединения GdSe приведены на рис. 2 – рис. 5. С увеличением содержания гадолиния от х = 0,05 до х = 0,15 температура Нееля твердых растворов уменьшается от значения ТN = 120 К у Mn0.95Gd0.05Se до ТN = ~100 К у Mn0.85Gd0.15Se. Следует отметить, что прогрев твердых растворов до температуры ~900 К не приводит к необратимым изменениям величины магнитной восприимчивости, поскольку ход зависимостей10–2/χ = f (T) при измерениях в режиме «нагрев – охлаждение» идентичен. Выявленная особенность имеет практическое значение.

 

Рис. 2. Обратная магнитная восприимчивость Mn0.95Gd0.05Se от температуры

Fig. 2. Inverse magnetic susceptibility Mn0.95Gd0.05Se from temperature

 

Рис. 3. Обратная магнитная восприимчивость Mn0.9Gd0.1Se от температуры

Fig. 3. Reverse magnetic susceptibility Mn0.9Gd0.1Se from temperature

 

Рис. 4. Обратная магнитная восприимчивость Mn0.85Gd0.15Se от температуры

Fig. 4. Reverse magnetic susceptibility Mn0.85Gd0.15Se from temperature

 

Рис. 5. Обратная магнитная восприимчивость антиферромагнетика GdSe от температуры

Fig. 5. Inverse magnetic susceptibility of the GdSe antiferromagnet to temperature

 

Магнитная восприимчивость твердых растворов увеличивается с ростом содержания в них гадолиния. Увеличение содержания гадолиния в твердых растворах приводит к уменьшению температуры Нееля от TN~135 К у MnSe до TN~90 К в  Mn0.85Gd0.15Se.

Парамагнитная температура Кюри – Вейсса также уменьшается с ростом концентрации от  θeff ≈ |–200| K для х = 0 до θeff ≈ |–90| K для х = 0,15 в твердых растворах Mn0.1–хGdхSe. Используя tgα угла наклона к оси температур прямолинейной части зависимости 10–2/χ = f(T), определена величина магнитного момента твердых растворов. Увеличение содержания гадолиния в твердых растворах приводит к увеличению магнитного момента.

Заключение

Синтезированы твердые растворы в системе Mn1-xGdxSe (0 ≤ х ≤ 0,5). Опираясь на зависимость изменения параметра а элементарной кубической кристаллической ячейки от концентрации a = f (x), можно считать, с некоторой погрешностью, что непрерывные твердые растворы в этой системе при используемом режиме синтеза существуют в области концентраций (0 ≤ х < 0,2). Изучены температурные зависимости магнитной восприимчивости твердых растворов Mn0.95Gd0.05Se, Mn0.9Gd0.1Se, Mn0.85Gd0.15Se и соединения GdSe.

Установлено:

а) с увеличением содержания гадолиния температура Нееля твердых растворов уменьшается от значения ТN = 135 К у Mn0.95Gd0.05Se до ТN = ~100 К у Mn0.85Gd0.15Se;
б) магнитная восприимчивость твердых растворов увеличивается с ростом содержания в них гадолиния;
в) ход зависимостей 10-2/χ = f(T) идентичен при измерениях в режиме «нагрев – охлаждение» в интервале температур ~80–900 К;
г) магнитный момент твердых растворов увеличивается с увеличением содержания ферромагнитной компоненты Gd.
×

About the authors

Alena M. Zhivulko

Scientific and Practical Materials Research Center of the National Academy of Sciences of Belarus

Email: alyona_panasevich@mail.ru

Cand. Sc., Senior Researcher at the Laboratory, Physics of Magnetic Materials of the State Scientific Research Center

Belarus, 19, P. Brovki St., Minsk, 220072

Kazimir I. Yanushkevich

Scientific and Practical Materials Research Center of the National Academy of Sciences of Belarus

Email: kazimir@ifttp.bas-net.by

Dr. Sc., Chief Researcher, Physics of Magnetic Materials of the State Research Center for Materials Science

Belarus, 19, P. Brovki St., Minsk, 220072

Evgenia G. Danilenko

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

Author for correspondence.
Email: evg.danilenko@mail.ru

Postgraduate student of the Department of Physics

Russian Federation, 31, Krasnoyarskii Rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037

Fedor V. Zelenov

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

Email: sok@mail.ru

Postgraduate student of the Department of Physics

Russian Federation, 31, Krasnoyarskii Rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037

Olga N. Bandurina

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

Email: bandurinaon@yandex.ru

Cand. Sc., docent of the Department of Physics

Russian Federation, 31, Krasnoyarskii Rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037

References

  1. Aplesnin S. C., Udod L. S., Sitnikov M. N., Eremin Or. S. Molokeev M. S. Tarasova L. S., Yanushkevich K. I., Galis A. I. [Correlation of magnetic and transport properties with polymorphic transitions in bismuth pyro-stannate Bi2(Sn1−xCrx)2O7]. Solid State Physics. 2015, Vol. 57, Is. 8, P. 1590–1595 (In Russ.).
  2. Aplesnin S. S., Petrakovskii G. A., Ryabinkina L. I., Abramova G. M., Kiselev N. I., Romanova O. B. Solid Influence of magnetic ordering on the resistivity anisotropy of Α-MNS single crystal. State Communications. 2004, Vol. 129, Is. 3, P. 195–197.
  3. Ryabinkina L. I., Petrakovskii G. A., Loseva G. V., Aplesnin S. S. Metal-insulator transition and magnetic properties in disordered systems of solid solutions MEXMN1-XS. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 1995, Vol. 140–144, Is. 1, P. 147–148.
  4. Aplesnin S. S., Ryabinkina L. I. Abramova G. M., Romanova O. B., Kiselev N. I., Bovina A. F. Spin-zavisimyj transport v monokristalle ALPHA-MNS [Spin-dependent transport in a single crystal ALPHA-MNS]. Solid State Physics. 2004, Vol. 46, No. 11, P. 2000–2005 (In Russ.).
  5. Aplesnin S., Romanova O., Har'kov A., Balaev D., Gorev M., Vorotinov A., Sokolov V., Pichugin A. Metal-semiconductor transition in SMXMN1-XS solid solutions. Physica Status Solidi (B): Basic Solid State Physics. 2012, Vol. 249, Is. 4, P. 812–817.
  6. Petrakovsky G. A., Ryabinkina L. I., Velikanov D. A., Aplesnin S. S., Abramova G. M., Kiselev N. I., Bovina A. F. Nizkotemperaturnye jelektronnye i magnitnye perehody v antiferromagnitnom poluprovodnike CR0.5MN0.5S [Low-temperature electronic and magnetic transitions in an antiferromagnetic semiconductor CR0.5MN0.5S]. Solid State Physics. 1999, Vol. 41, No. 9, P. 1660–1664 (In Russ.).
  7. Gunnarsson R., Hanson M. Magnetization reversal processes in magnetic bicrystal junctions. Phys. Rev. 2006, Vol. 73, P. 014435.
  8. Boikov Yu. A., Klaeson T., Danilov V. A. [Magnetoresistance of epitaxial La0.67Sr0.33MnO3 films grown on a substrate with a small mismatch in the parameters of crystal lattices]. Solid State Physics. 2005, Vol. 47, No. 12, P. 2189–2194 (In Russ.).
  9. Cheng S. L., Du C. H., Chuang T. H., Lin J. G. Atomic replacement effects on the band structure of doped perovskite thin films. Scientific Reports. 2019, Vol. 9, P. 7828.
  10. Asamitsu A., Tomioka Y., Kuwahara H., Tokura Y. Current switching of resistive states in magnetoresistive manganites. Nature. 1997, Vol. 388, P. 50–52.
  11. Bebenin N. G., Zainullina R. I., Ustinov V. V. Manganity s kolossal'nym magnetosoprotivlenie [Manganites with colossal magnetoresistance]. UFN. 2018, Vol. 188, No. 8, P. 801–820 (In Russ.).
  12. Aplesnin S. S. [Nonadiabatic interaction of acoustic phonons with spins S = 1/2 in the two-dimensional Heisenberg model]. Journal of Experimental and Theoretical Physics. 2003, Vol. 124, No. 5, P. 1080–1089 (In Russ.).
  13. Aplesnin S. S. Dimerization of antiferromagnetic chains with four-spin interactions. Physics of the Solid State. 1996, Vol. 38, No. 6, P. 1031–1036.
  14. Aplesnin S. S. A study of anisotropic heisenberg antiferromagnet with S = 1/2 on a square lattice by monte-carlo method. Physica Status Solidi (B): Basic Solid State Physics. 1998, Vol. 207, No. 2, P. 491–49.
  15. Aplesnin S. S. Quantum monte carlo analysis of the 2d heisenberg antiferromagnet with S = 1/2: the influence of exchange anisotropy. Journal of Physics: Condensed Matter. 1998, Vol. 10, No. 44, P. 10061–10065.
  16. Aplesnin S. S. Existence of massive singlet excitations in an antiferromagnetic alternating chain with S=1/2. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics. 2000, Vol. 61, No. 10, P. 6780–6784.
  17. Pudalov V. M., Kuntsevich A. Yu., Gershenson M. E., Burmistrov I. S., Reznikov M. Probing spin susceptibility of a correlated two-dimensional electron system by transport and magnetization measurements. Phys. Rev. 2018, Vol. 98, P. 155109.
  18. Strecka J., Richter J., Derzhko O., Verkholyak T., Karlova K. Diversity of quantum ground states and quantum phase transitions of a spin-1/2 Heisenberg octadedral chain. Phys. Rev. 2017, Vol. 95, P. 224415.
  19. Volokitin Y., Sinzig J., de Jongh L. J., Schimd G., Vargaftik M. N., Moiseevi I. I. Quantum-size effects in the thermodynamic properties of metallic nanoparticles. Nature. 1996, Vol. 384, P. 621–623.
  20. Gong C., Zhavg X. Two-dimensional magnetic crystals and emergent heterostructure devices. Science. 2019, Vol. 363, P. 6428.
  21. Aplesnin S. S., Ryabinkina L. I., Romanova O. B., Bandurina O. N., Gorev M. S., Balaev A. D., Eremin E. V. [Spin-glass effects in solid solutions of COxMN1-xS]. Proceedings of the Russian Academy of Sciences. Physical series. 2009, Vol. 73, No. 7, P. 1021–1023 (In Russ.).
  22. Petrakovskiǐ G. A., Ryabinkina L. I., Velikanov D. A., Aplesnin S. S., Abramova G. M., Kiselev N. I., Bobina A. F. Low-temperature electronic and magnetic transitions in the antiferromagnetic semiconductor Cr0.5n0.5S. Physics of the Solid State. 1999, Vol. 41 (9), P. 1520–1524.
  23. Aplesnin S. S., Bandurina O. N., Ryabinkina L. I., Romanova O. B., Eremin E. V., Gorev M. V., Vorotynov A. M., Balaev D. A., Vasiliev A. D., Galyas A. I., Demidenko O. F., Makovetsky G. I., Yanushkevich K. I. [The relationship of magnetic and electrical properties of chalcogenides enides MnSe1-XTeX]. News of the Russian Academy of Sciences. Physical Series. 2010, Vol. 74, No. 5, P. 741–743 (In Russ.).
  24. State standard of the USSR GOST 24450-80 Kontrol' nerazrushajushhij magnitnyj. Terminy i opredelenija [Non-destructive magnetic control. Terms and definitions]. Resolution of the USSR State Statistics Committee No. 5672 of November 28, 1980 (In Russ.).
  25. Chechernikov V. I. Magnitnye izmerenija [Magnetic measurements]. Moscow State University Publishing House, Moscow. 1969, 387 p.
  26. Janushkevich K. I. Metodika vypolneniya izmerenij namagnichennosti i magnitnoy vospriimchivosti. Sistema obespecheniya edinstva izmereniy Respubliki Belarus' [Methods of performing measurements of magnetization and magnetic susceptibility. The system of ensuring the uniformity of measurements of the Republic of Belarus]. MVI. Minsk, 2009, 19 p.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2022 Zhivulko A.M., Yanushkevich K.I., Danilenko E.G., Zelenov F.V., Bandurina O.N.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies