Магнітні та електричні властивості неоднорідних манганітових сполук зі структурою перовскіту

Для більш глибокого розуміння низькотемпературної поведінки плівок ми дослідили температурні залежності спектрів ФМР. При 295 К інтегрована крива P(B), яка показує залежність інтенсивності поглинання від магнітної індукції B, добре описується лоренціаном з параметрами, що відповідають парамагнітному стану манганітів La_1-xSr_xMnO₃ [R18] (резонансне поле B_r1 335 мТ, ширина лінії w 24 мТ). Відповідно до даних ФМР, перехід у ФМ стан відбувається при T ~ 280 K. При подальшому зниженні температури у спектрі з'являється друга лінія (B_r2 ~ 290 мТ). Її інтенсивність зростає зі зниженням температури і перевищує інтенсивність ФМ лінії в області низьких температур (~ 77 K).

У роботі виконано детальний аналіз параметрів кожної з ліній в діапазоні температур 77 - 295 К, а також співставлення результатів вимірювання спектрів ФМР з електричними і магніторезистивними даними. Зроблено висновок, що в об'ємі зразка співіснують ФМ і ЗВ фази, об'ємна частка кожної з яких визначається величиною струму, що протікає через зразок.

У підрозділі 6.4 запропоновано особливу методику приготування плівок, названу дискретним осадженням, і показано, що така процедура може бути з успіхом застосована для керування електричними і магнітотранспортними властивостями плівок заміщених манганітів. Суть такої методики полягає в розділенні усієї процедури осадження на декілька циклів. При цьому кожен цикл включає осадження як таке і подальший відпал зразка в осаджувальній камері.

Таким чином, у даному підрозділі показано, що використання ДО процедури приводить до значної модифікації магнітних і електиричних властивостей плівок La_1-xSr_xMnO₃, вирощених на монокристалічних підкладках SrTiO₃. Найбільш помітними особливостями є зростання температури магнітного переходу, суттєве падіння питомого електроопору і підвищення магнітоопору при кімнатній температурі. Зроблено висновок, що запропонована процедура сильно впливає на динаміку росту плівки і мінімізує ефекти, обумовлені індукованими підкладкою напруженнями.

ВИСНОВКИ

Дисертаційна робота містить вирішення актуальної наукової проблеми, що полягає у отриманні комплексної картини модифікації магнітних та електричних характеристик манганітових сполук зі структурою перовскіту під дією факторів, спрямованих на підвищення структурної та магнітної неоднорідності цих матеріалів. На основі узагальнення результатів, одержаних за допомогою комплексу надійно апробованих методів магнітних, електричних та магніторезонансних вимірювань, а також, базуючись на результатах модельних розрахунків, виявлено напрямки еволюції магнітних та електричних параметрів манганітових оксидів при цілеспрямованому підвищенні неоднорідності матеріалу. Запропоновано послідовну і несуперечливу інтерпретацію експериментальних даних.

Як загальний результат, у роботі з'ясовано закономірності і специфічні риси еволюції магнітних та електричних характеристик манганітових оксидів зі структурою перовскіту при зміні чинників, що включають індуковану дефектами магнітну неоднорідність; формування структурних вакансій у кристалічній гратці; хімічні заміщення в підгратці марганцю; механічні напруження в плівкових зразках; варіацію умов приготування та термообробки зразків.

Основні результати, які одержані в роботі, можна сформулювати наступним чином:

1. Вперше формалізовано взаємозв'язок між характером еволюції електричних властивостей і шириною магнітного переходу для магнітно-двофазної системи, у якій електричний опір кожної з фаз визначається її магнітним станом. На основі модельних розрахунків показано, що розширення області співіснування таких фаз приводить до появи додаткового піка на температурній залежності електроопору, незважаючи на те, що параметри кожної із фаз є монотонною функцією температури.

2. З'ясовано причини формування низькотемпературного резистивного піка в полікристалічних зразках заміщених манганітів при зменшенні розміру зерна або погіршенні міжзеренної провідності. Показано, що електричні аномалії такого типу є результатом взаємозв'язку електричної провідності та магнітного стану зразка і виникають внаслідок розширення температурної області співіснування феромагнітної та парамагнітної фаз. Для об'ємних полікристалічних зразків (La,Sr)MnO₃ резонансними методами підтверджено факт співіснування парамагнітної і феромагнітної фаз в широкій (більше 40 К) області температур поблизу точки магнітного переходу.

3. Розроблено концепцію, яка пов'язує поведінку електричного опору нанокристалічних зразків заміщених манганітів з особливостями неоднорідного переносу заряду через двокомпонентну суміш, що складається з високорезистивних парамагнітних областей, розділених провідними феромагнітними областями. Для нанокристалічних зразків (La,Ca)MnO₃ експериментально показано, що в області температур, нижчих за температуру Кюрі, вольт-амперні характеристики є лінійними при зміні напруги більше, ніж на два порядки величини. Це свідчить про незначну роль тунельних ефектів в процесі переносу заряду через високорезистивні області. Підвищена кількість магнітно невпорядкованої фази в нанокристалічних зразках пов'язується з наявністю значної кількості міжзеренних областей.

4. Визначено характерні риси зміни електричних та магнітних властивостей тонких епітаксійних плівок при зменшенні їх товщини. Показано, що у широкій області температур стан надтонкої плівки може бути добре змодельований як суміш парамагнітної діелектричної та феромагнітної металічної фаз. У цьому стані опір переважно визначається магнітно розупорядкованими областями і не відображає поведінку намагніченості, котра слугує мірою впорядкованості спінів. Обчислення, виконані з застосуванням перколяційної моделі, добре описують основні особливості магнітних і електричних властивостей таких плівок.

5. Вперше експериментально показано, що магнітний стан натрій-заміщених манганітів є неоднорідним і характеризується співіснуванням феромагнітних областей двох видів, які суттєво відрізняються рухливістю електронних дірок на вузлах марганцю, а також парамагнітної фази, температурна область існування якої простягається до досить низьких температур. Виявлено, що збільшення кількості вакансій в катіонних підгратках приводить до збільшення об'ємної частки парамагнітної фази. Показано, що при кімнатній температурі магнітоопір, виміряний в полі 15 кЕ, має максимум (20 %) у зразку La_1-xNa_xMnO₃₊ з x = 0,12. Для цього складу залежність магнітоопору від напруженості поля близька до лінійної, що є перспективним для використання таких матеріалів в пристроях для вимірювання магнітного поля.

6. Встановлено взаємозв'язок між структурними, електричними та магніторезистивними властивостями полікристалічних зразків (La_1-yNd_y)_1-xSr_xMnO₃. Показано, що заміщення лантану неодимом приводить до суттєвого підвищення магнітоопору і зниження температури, при якій магнітоопір має максимум. Виявлено, що основні зміни в положенні піків на температурних залежностях електро- та магнітоопору відбуваються в інтервалі 0 y 0,25, що корелює з характером зміни структурних параметрів. Особливості поведінки зразків (La_1-yNd_y)_1-xSr_xMnO₃ поблизу y = 0,25 пов'язуються з утворенням структурно і магнітно неоднорідного стану.

7. Проведено комплексне дослідження структурних, магнітних та магніторезонансних властивостей зразків La_0,7Sr_0,3Mn_1-xCu_xO₃₊. Виявлено, що поведінка зразків в області малих рівнів легування (x 0,05) суттєво відрізняється від такої для більших значень концентрації міді. Для зразків у межах першої області основним низькотемпературним станом є однорідний феромагнетизм і їх магнітні властивості слабко залежать від вмісту міді. Характерною рисою області з більш високими значеннями x (x > 0,05) є співіснування двох різних магнітних фаз і сильний спад намагніченості насичення з ростом x. Показано, що введення іонів міді в підгратку марганцю сприяє конвертації частини феромагнітної металічної фази в зарядово впорядковану, причому кількість першої суттєво зменшується зі збільшенням x. Наведено докази висунутого іншими авторами припущення про те, що іони міді в Cu-заміщених манганітах перебувають лише в іонізаційному стані 2+.

8. Показано, що механічні напруження в тонких епітаксійних плівках (La,Sr)MnO₃ впливають не тільки на величину температури магнітного переходу, але і приводять до розділення магнітних фаз. Експериментально доказано, що у цьому випадку в об'ємі зразка співіснують дві фази з різним магнітним впорядкуванням. Виявлено, що провідність таких плівок суттєво залежить від величини електричного струму, причому цей ефект значно підсилюється з пониженням температури і зменшенням сили струму.

9. Для керованої зміни електричних та магніторезистивних властивостей плівок заміщених манганітів розроблено новий спосіб приготування, а саме дискретне осадження. Відмінною особливістю такої процедури є розділення всього процесу осадження на декілька циклів, що складають з осадження як такого і подальшого відпалу зразка в осаджувальній камері. Показано, що метод дискретного осадження приводить до зростання температури магнітного переходу, значного падіння питомого опору та підвищення магнітоопору при кімнатній температурі. Наведено докази, що розроблена процедура мінімізує ефекти, обумовлені індукованими підкладкою напруженнями і приводить до вдосконалення структури і покращення магнітної однорідності плівок.

Таким чином, мета даної роботи досягнута, а всі поставлені задачі вирішені. Отримані результати служать надійною експериментальною базою для подальшого розвитку теоретичних розробок, спрямованих на поглиблене розуміння фізичних властивостей манганітових сполук зі структурою перовскіту. Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що вони можуть бути використані для прогнозування магнітних і електричних властивостей складних манганітових оксидів, а також для розробки нових матеріалів. Застосування нових режимів приготування плівкових зразків заміщених манганітів лантану дозволяє мінімізувати ефекти, обумовлені індукованими підкладкою напруженнями, і, таким чином, керувати магнітними параметрами складних манганітових оксидів.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Локтев В.М., Погорелов Ю.Г. Особенности физических свойств и колоссальное магнитосопротивление манганитов // ФНТ. - 2000. - Т. 26, №3. - С. 171 - 193.

2. Dagotto E., Hotta T. & Moreo A. Colossal magnetoresistant materials: the key role of phase separation // Physics Reports. - 2001. - Vol. 344, No. 1. - P. 1 - 153.

3. Jin S., Tiefel T.H., McCormack M., Fastnacht R.A., Ramesh R., Chen L.H. Thousandfold change in resistivity in magnetoresistive La-Ca-Mn-O films // Science. - 1994. - Vol. 264, No. 5157. - P. 413 - 415.

4. Evetts J.E., Blamire M.G., Mathur N.D., Isaac S.P., Teo B.-S., Cohen L.F. and Macmanus-Driscoll J.L. Defect-induced spin disorder and magnetoresistance in single-crystal and polycrystal rare-earth manganite thin films // Philos. Trans. Roy. Soc. Lond. A. - 1998. - Vol. 356, No. 1742. - P. 1593 - 1615.

5. Chechersky V., Nath A., Ju H., Greene R.L. Emission Mцssbauer study of CMR manganite La_0.8Ca_0.2MnO₃. Anomalous ferromagnetism // ФНТ. - 1997. - Т. 23, №7. - С. 727 - 731.

6. McLachlan D.S. An equation for the conductivity of binary mixtures with anisotripic grain structures // J. Phys. C: Sol. St. Phys. - 1987. - Vol. 20, No. 7. - P. 865 - 877.

7. Zhang N., Ding W., Zhong W., Xing D., and Du Y. Tunnel-type giant magnetoresistance in the granular perivskite La_0.85Sr_0.15MnO₃ // Phys. Rev. B. - 1997. - Vol. 56, No. 13 - P. 8138 - 8142.

8. Borges R.P., Guichard W., Lunney J.G., Coey J.M.D. Magnetic and electric `dead' layers in La_0.7Sr_0.3MnO₃ thin films // J. Appl. Phys. - 2001. - Vol. 89, No. 7. - P. 3868 - 3873.

9. Izumi M., Konishi Y., Nishihara T., Hayashi S., Shinohara M., Kawasaki M., Tokura Y. Atomically defined epitaxy and physical properties of strained La_0.6Sr_0.4MnO₃ films // Appl. Phys. Lett. - 1998 - Vol. 73, No. 17. - P. 2497 - 2499.

10. Ye S.L., Song W.H., Dai J.M., Wang K.Y., Wang S.G., Du J.J., Sun Y.P., Fang J., Chen J.L., Gao B.J. Large room-temperature magnetoresistance and phase separation in La_1-xNa_xMnO₃ with 0.1 x 0.3 // J. App. Phys. - 2001. - Vol. 90, No. 6. - P. 2943 - 2948.

11. Ullmann H., Trofimenko N. Estimation of effective ionic radii in highly defective perovskite-type oxides from experimental data // J. Alloys and Comp. - 2001. - Vol. 316, No. 1-2. - P. 153 - 158/

12. Gupta A., Gong G.Q., Xiao G., Duncombe P.R., Lecoeur P., Trouilloud P., Wang Y.Y., Dravid V.P., Sun J.Z. Grain-boundary effects on the magnetoresistance properties of perovskite manganite films // Phys. Rev. B. - 1996. - Vol. 54, No. 22. - P. R15629 - R15632.

13. Savosta M.M., Krivoruchlo V.N., Danilenko I.A., Tarenkov V.Yu. Konstantinova T.E., Borodin A.V., and Varyukhin V.N. Nuclear spin dynamics and magnetic structure of nanosized particles La_0.7Sr_0.3MnO₃ // Phys. Rev. B. - 2004. - Vol. 69, No. 2. - P. 024413 (1 - 8).

14. Hebert S., Maignan A., Martin C., Raveau B. Important role of impurity e_g levels on the ground state of Mn-site doped manganities // Solid State Commun. - 2002. - Vol. 121, No. 5. - P. 229 - 234.

15. Yuan S.L., Tang J., Xia Z.C., Liu L., Zhao L.F., Chen W., Zhang G.H., Zhang L.J., Feng W., Cao H., Zhong Q.H., Niu L.Y., Liu S. Low-field colossal constant magnetoresistance for wide temperature ranges in the sol-gel prepared La_2/3Ca_1/3Mn_0.96Cu_0.04O₃. // Solid State Commun. - 2003. - Vol. 127, No. 11. - P. 743 - 747.

16. Тихонова И. Л., Зуев А. Ю., Петров А. Н. Фазовые равновесия и кристаллическая структура фаз в системе La(Sr) - Mn - Cu - O // Журн. физ. химии. - 1998. - Т. 72, № 10. - С. 1794 - 1797.

17. Moritomo Y., Akimoto T., Nakamura A., Ohoyama K. and Ohashi M. Antiferromagnetic metallic state in the heavily doped region of perovskite manganites // Phys. Rev. B. - 1998. - Vol. 58, No. 9. - P. 5544 - 5549.

18. Rivadulla F., Frita-Alvite M., Lopez-Quintela M. A., Hueso L. E., Miguens D.R., Sande P., Rivas J. Coexistence of paramagnetic-charge-ordered and ferromagnetic-metallic phases in La_0.5Ca_0.5MnO₃ evidenced by electron spin resonance // J. Appl. Phys. - 2002. - Vol. 91, No. 2. - P. 785 - 788.

Размещено на Allbest.ru