Исследование магнитных и транспортных свойств кристаллов манганитов в системе (La1-yEuy) 0.7Pb0.3MnO3

Актуальность исследований. Магнитные системы с сильными электронными корреляциями привлекают внимание исследователей по многим причинам. Во-первых, при исследовании этих систем предстоит решать проблемы фундаментального характера, связанные с определением основного состояния. Во-вторых, в этих системах обнаруживаются необычные сочетания физических свойств, и, в-третьих, такого рода соединения оказываются перспективными в плане практических применений. Материалы на основе оксида марганца обладают сменой типа проводимости, которая сопровождается изменением магнитного состояния. Они являются наиболее яркими представителями систем с сильными электронными корреляциями. Наличие в этих материалах сильно взаимодействующих спиновой, зарядовой и орбитальной подсистем определяет богатое разнообразие их свойств. К настоящему времени установлено, что причина сложного поведения этих систем кроется в конкуренции взаимодействий, имеющих сравнимые величины. При определенных уровнях легирования примесями энергии взаимодействий, отвечающие за тенденции образования той или иной фазы, становятся сравнимыми, и вопрос об основном состоянии системы оказывается весьма нетривиальным. Предполагается, например, что в данном случае основным может быть неоднородное состояние, типа — состояние с фазовым расслоением. Тонкий энергетический баланс является также причиной высокой чувствительности свойств примесных манганитов к внешним воздействиям, таким как температура, внешнее магнитное поле, давление, транспортный ток и др.

Поскольку при введении редкоземельных ионов в кристалл образуется подсистема с явно выраженными локализованными магнитными моментами, то возникает возможность управляемого влияния на магнитные параметры системы (намагниченность, анизотропия, температура перехода и т. д.). В настоящей работе речь пойдет о взаимосвязи магнитных и электрических свойств кристаллов манганитов, легированных ионами редких земель и их чувствительности к воздействию электромагнитного излучения СВЧ диапазона. При этом один из главных аспектов — изучение условий возникновения состояния с фазовым расслоением и влияния редкоземельных ионов на электронную структуру в кристаллах манганита. Интересным моментом является и то, что наличие конкуренции взаимодействий приводит к возникновению неоднородных состояний в реальных кристаллах манганитов. Сильная чувствительность такого состояния с фазовым расслоением к внешним возмущениям (транспортный ток, магнитное поле) является причиной необычных наблюдаемых магниторезистивных эффектов и нелинейных электрических транспортных свойств.

Именно изучению новых соединений состава (Ьа, уЕиу) о.7РЬ0.зМпОз (0<у<1), проявляющих эффект колоссального магнитосопротивления, посвящено настоящее исследование.

Цель работы. Целью данной работы явилось изучение магнитных, электрических свойств кристаллов манганита (Ьа^Еи^олРЬо.зМпОз и их взаимосвязи в зависимости от концентрации легирующей примеси и внешних условий. Значительное внимание уделено установлению границ существования магнитного фазового расслоения и исследованию динамического поведения системы в условиях пропускания транспортного тока и электромагнитного СВЧ облучения.

Научная новизна. При исследовании физических свойств кристаллов манганита получены следующие результаты:

1. Проведено комплексное исследование магнитных, резонансных и транспортных свойств, впервые синтезированных кристаллов манганитов состава (Ьа1.уЕиу)о.7РЬо.зМп03. При изучении фазовой неоднородности в манганитах впервые использован метод исследования частотно-полевых зависимостей спектров магнитного резонанса. Это позволило непосредственно установить, что в области температуры магнитного фазового перехода, где наблюдается эффект колоссального магнитосопротивления, реализуется состояние с магнитным фазовым расслоением.

2. Обнаружен и исследован эффект индуцирования магнитным резонансным СВЧ поглощением изменений в электрической проводимости монокристалла манганита. Показано, что ключевую роль в механизме изменения проводимости играет состояние фазового расслоения, реализующееся в образце.

3. Впервые обнаружено и экспериментально изучено влияние транспортного тока на спектр магнитного резонанса в монокристаллах манганита.

Практическая ценность. Результаты исследований позволяют расширить представления о природе магнитных свойств и взаимодействий в кооперативных системах. В частности, они позволяют глубже понять механизмы формирования и изменения магнитных свойств при легировании материалов, что, в свою очередь, позволит прогнозировать свойства различного класса магнитных систем и целенаправленно получать материалы с требуемыми свойствами.

Основные надежды на применение манганитов связаны с эффектом колоссального магнитосопротивления, который может служить основой при создании магнитоуправляемых устройств электроники для целей записи, хранения и обработки информации. Изучение магнитных и электрических свойств кристаллов манганитов позволяет сделать вывод о возможности их использования в качестве электронных элементов, управляемых не только магнитным полем, но и другими внешними воздействиями, например, транспортным током.

Еще одно направление исследований манганитов связано с перспективой применения их в устройствах спинтроники. Высокая спиновая поляризация носителей заряда в этих материалах позволяет надеяться на успешное их применение в качестве источников поляризованных электронов, эмитируемых в магнитные гетероструктуры. Очевидно, что все работы, направленные на выяснение механизмов электронного транспорта в манганитах и магнитных структурах на их основе, остаются востребованными.

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на.

• V Всероссийской научной конференции «Решетневские Чтения», (г. Красноярск, 2001);

• XL Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс». Физика, (г. Новосибирск, 2002);

• XVIII, XIX и XX международных школах-семинарах «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (г. Москва, 2002, 2004, 2006 гг.);

• Московском международном симпозиуме по магнетизму, «MISM» (г. Москва, 2002, 2005 гг.);

• Международной конференции «Функциональные материалы» «ICFM-2005» (Крым, Украина, 2003 г.);

• Международной конференции Европейского Материаловедческого Общества, «EMRS-Fall Meeting» (г. Варшава, Польша, 2003 г.).

• Международной конференции по магнетизму (г. Рим, Италия, 2003 г.).

• Евро-Азиатском симпозиуме «Прогресс в магнетизме» «EASTMAG-2004» (г.Красноярск 2004).

• 34-ом совещании по физике низких температур (г. Сочи 2006).

ПУБЛИКАЦИИ.

По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ в рецензируемых зарубежных и отечественных журналах.

СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем составляет 101 страницу, включая 49 рисунков. Список цитируемой литературы состоит из 96 наименований.

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Сконструирован и изготовлен автоматизированный блок для измерения электрических и магниторезистивных параметров широкого круга магнитных материалов (от «плохих» полупроводников р ~ 4−105 Ohm-cm до металлов р ~ 1 Ohm-cm) в температурном диапазоне Т = 4.2 — 300 К и в области магнитных полей Н = 0 — 12 Юе.

2. Проведены исследования магнитных свойств кристаллов (Laj. уЕиу) о.7РЬ0.зМпОз в зависимости от температуры, магнитных полей при разных концентрациях легирующей примеси Ей. Установлено, что введение ионов европия существенно влияет на температуру магнитного перехода (от Тс = 370 К для у = 0, до Тс = 119 К при у = 0.6). Из анализа высокотемпературных зависимостей намагниченности следует, что примесные ионы Ей дают небольшой вклад в намагниченность системы и гораздо сильнее влияют на обменное взаимодействие. Низкополевые зависимости в магнитоупорядоченной области указывают на существование спин-стекольного состояния, возникающего вследствие появления конкурирующих взаимодействий.

3. Установлено, что характер электрической проводимости кристаллов (Ьа1 у.е.иу)о.7РЬо.зМпОз меняется от металлического при у = 0 до полупроводникового при у = 0.6. В области магнитного перехода имеет место эффект колоссального магнитосопротивления (KMC). Его величина и температурная область существования увеличиваются при увеличении содержания европия в интервале у = 0 — 0.6 и далее уменьшаются при увеличении у. В интервале температур, где наблюдается эффект KMC, регистрируются нелинейные вольт-амперные характеристики, причем характер нелинейности зависит от величины магнитного поля и наблюдается при Н < 30 Юе. Все эти факты являются косвенным указанием на существование магнитного фазового расслоения.

4. Методом электронного магнитного резонанса получено прямое доказательство существования эффекта магнитного фазового расслоения. В области магнитного перехода, там же, где имеет место эффект магнитосопротивления и наблюдаются нелинейные электрические свойства, одновременно наблюдаются сигналы магнитного резонанса, присущие различным магнитным фазам. Изучение частотно-полевых зависимостей линий поглощения магнитного резонанса впервые использовано для анализа эволюции двухфазного состояния. По изменению отношения интенсивностей линий магнитного резонанса показано, что происходит изменение объема фаз, как в зависимости от температуры, так и от величины магнитного поля.

5. При пропускании постоянного тока через образец (Ьа0,4Еи0−6)0.7РЬ0.зМпОз обнаружено его влияние на спектр магнитного резонанса. Установлено, что увеличение тока приводит к увеличению объема более проводящей фазы в объеме образца. Таким образом, появляется возможность управлять электрическими свойствами кристаллов манганитов посредствам внешних воздействий.

6. Впервые в объемных кристаллах манганита ЕиолРЬо. зМпОз обнаружено влияние СВЧ облучения на соотношение фаз. Установлено, что в области существования KMC при развертке магнитного поля на фоне кривой р (Н) при включении СВЧ накачки происходит ее искажение, по форме подобное линии электронного магнитного резонанса. Величина индуцированного изменения зависит от величины тока измерения. Показано, что эффект не связан с тривиальным нагревом, а имеет место СВЧ индуцированное изменение соотношения параи ферромагнитной фаз.

Считаю своим долгом выразить благодарность своему научному руководителю доктору физ.-мат. наук, Волкову Никите Валентиновичу за поставленную интересную научную задачу, за внимание и всестороннюю помощь в ходе ее выполнения. Хочу поблагодарить заведующего лабораторией РСМУВ профессора Петраковского Германа Антоновича за поддержку данных исследований и содействие в ходе ее выполнения, и выразить особую признательность Саблиной Кларе Александровне, чей талант технолога позволяет проводить исследования на самых совершенных кристаллах. Выражаю благодарность всему коллективу лаборатории Резонансных свойств магнитоупорядоченных веществ за дружеское отношение и полезные советы в процессе работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В данной работе представлено экспериментальное исследование физических свойств впервые синтезированных монокристаллов манганитов состава (Ьа1 у.е.иу)о.7РЬо.зМп03.