Стеклокомпозиты на основе магнитного полупроводника La0,67Sr0,33MnO3 как функциональные материалы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону

Институт химии твердого тела УрО РАН, Екатеринбург

Ростовский государственный строительный университет

Стеклокомпозиты на основе магнитного полупроводника La0,67Sr0,33MnO3 как функциональные материалы

Ю.В. Кабиров, В.Г. Гавриляченко, А.С. Богатин,

Т.И. Чупахина, Е.Б. Русакова, Е.В. Чебанова

Аннотация

синтезированый композит спинтроника диэлектричесий

Синтезированы композиты La0,67Sr0,33MnO3 (SiO2, Sb2O3) с различными массовыми соотношениями. Исследованы их магниторезистивные и диэлектрические свойства. В диапазоне частот от 10 до 106 Гц для концентрации SiO2 10% выявлено существование колоссальных величин диэлектрической проницаемости ( ~ 4·104). Значения отрицательной изотропной магниторезистивности для образцов с оксидом кремния при комнатных температурах составляют 6-8%, с барьерами из оксида сурьмы достигают 12%, что позволяет считать возможным применение таких материалов в спинтронике.

Ключевые слова: Магниторезистивность, колоссальная диэлектрическая проницаемость, стеклокомпозиты, рентгеновская дифракция, спиновая поляризация, барьерные слои, туннелирование, микроструктура, диэлектрический спектр, эффект Максвелла-Вагнера.

Введение

Магнитный полупроводник LSMO отмечен в [1 - 9] как перспективный материал для средств записи информации, обладающий колоссальной магниторезистивностью (CMR) и гигантским магнитоимпедансом (GMI). Одной из задач технологии магниторезистивных материалов является повышение их чувствительности в слабых полях [1]. Для этого можно использовать манганит La0,67Sr0,33MnO3, обладающий металлической проводимостью и почти полной спиновой поляризацией, разделяя его туннельными диэлектрическими слоями. Так, в основу конструирования магниторезистивных композитов с высокой полевой чувствительностью в матрице боратно-натриевых стекол в работах [3 - 5] была положена барьерная идея: области LSMO разделены тонкими изолирующими прослойками. При воздействии внешнего магнитного поля вследствие туннелирования электронов между изолирующими слоями, возникает отрицательный резистивный эффект. Как отмечено в [4], оптимальная концентрация стекла в керамических композитах около 25 %. Достигнутые значения CMR (точнее TMR, туннельной магниторезистивности) в стеклокомпозитах при комнатной температуре невелики и составляют единицы процентов. При этом в работах [3 - 5] использована технология непосредственного синтеза LSMO в матрице при высокотемпературной обработке с последующим закаливанием или помещения в стеклянную матрицу готового манганита лантана стронция. Приготовленные образцы имели максимальный диаметр порядка нескольких миллиметров [3 - 5].

Целью нашей работы было изучение возможности повышения значений CMR при комнатной температуре в стеклокерамических образцах за счет создания искусственных диэлектрических границ между кристаллитами. Также представляют интерес и диэлектрические свойства подобных композитов. В технологическом плане стеклокомпозиты имеют несомненное преимущество по сравнению с монокристаллами и эпитаксиальными пленками LSMO.

Методика эксперимента

Для синтеза композитов в стехиометрическую смесь La2O3, SrCO3, Mn2O3 состава La0,67Sr0,33MnO3 добавлялась окись кремния SiO2 (или Sb2O3) 7 - 13% по массе. После измельчения и гомогенизации прессованные таблетки диаметром 10 мм и толщиной 2 - 3 мм выдерживались при 1100°С в течении 3 - 5 часов с последующим медленным охлаждением.

Для характеризации образцов использовались: рентгендифракционный метод (CuKб - излучение), комплекс Novocontrol ALPHA для исследования диэлектрических свойств в диапазоне частот 10?4 - 106 Гц, микроскоп Zeiss Supra 25 для исследования микроструктуры образцов. Серебрянные электроды на развитые поверхности образцов наносились методом катодного распыления. Измерение сопротивления образцов проводилось по двухэлектродной схеме методом вольтметра-амперметра на постоянном токе в магнитном поле 0 - 20 kOe при комнатной температуре.

Результаты исследований и их обсуждение

Рентгенноструктурное исследование стеклокерамических образцов La0,67Sr0,33MnO3 (SiO2, Sb2O3) показало наличие в них перовскитовой фазы LSMO, с пространственной группой R - 3c (№167) и параметрами ячейки а = 5,4855 Е, с = 13,3495 Е. При этом на рентгенограммах не наблюдались дифракционные отражения оксидов кремния или сурьмы, а отражения LSMO оказались уширенными. На снимках микроструктуры поверхности образцов LSMO (SiO2) видны частицы размером от 1 до 4 мкм (рис.1).

Рис. 1. - Морфология поверхности стеклокомпозита 10% SiO2 (90% LSMO)

Магниторезистивность MR рассчитывалась по формуле:

,

где R(0) - сопротивление образца без поля, R(H) - сопротивление образца в магнитном поле. Полевая чувствительность образца составляет . На рис.2 приведена зависимость MR от напряженности магнитного поля в интервале 0 - 20 kOe. Отметим изотропность магниторезистивного эффекта в наших образцах, а также высокие значения

MR по сравнению с литературными данными.

Рис. 2. - Зависимость магниторезистивности образца 10% SiO2 (90% LSMO) от напряженности магнитного поля

В силу особенности конструкции стеклокомпозитов La0,67Sr0,33MnO3 (SiO2), а именно - существования проводящих и изолирующих областей в композите, то есть искусственного разделения фаз, для наших образцов можно было ожидать существования в них значительных величин диэлектрической проницаемости [7]. Это предположение подтверждается диэлектрическими исследованиями.

На рис. 3 приведен диэлектрический спектр образца 10% SiO2 (90% LSMO). В диэлектрическом спектре образцов (рис.3) можно отметить ряд особенностей. В высокочастотной части спектра выше 105 Гц диэлектрическая проницаемость е/ спадает, что характерно для размытой дисперсии дебаевского типа, в интервале 10 - 105 е/ практически не зависит от частоты и достигает значения 4•104, при этом фактор потерь велик. При частоте ниже 4 Гц характер импеданса образца меняется с емкостного на индуктивный, что характерно для неупорядоченных систем с высокой проводимостью [10, 11].

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. - Диэлектрический спектр образца 10% SiO2 (90% LSMO)

Таким образом, приготовленные стеклокерамические образцы La0,67Sr0,33MnO3 (SiO2) проявляют эффект MR (~6%) в слабых полях, обладая при этом колоссальной диэлектрической проницаемостью в практически значимом диапазоне частот 10 - 105 Гц. Отметим, что для композитов с использованием в качестве барьерного материала окиси сурьмы нами получены результаты MR порядка 12 % [12].

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 14-03-00103A.

Литература

1. Нагаев Э.Л. Манганиты лантана и другие магнитные проводники с гигантским магнитосопротивлением // УФН. 1996. Т. 166. № 8. C. 833-858.

2. Криворучко В.Н. Кроссовер поляронной проводимости и неоднородное состояние манганитов лантана в области магнитного фазового перехода // ФТТ. 2001. Т. 43. В. 4. С. 678-682.

3. Кушнир С.Е., Васильев А.В., Зайцев Д.Д., Казин П.Е., Третьяков Ю.Д. Синтез магнеторезистивных стеклокерамических композитов в системе SrO-MnOx-SiO2-La2O3// Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2008. № 1. C. 38-41.

4. Gupta S., Ranjit R., Mitra C., Raychaudhuri P., Pinto R. Enhanced room-temperature magnetoresistance in La0.7Sr0.3MnO3-glass composites // Appl. Phys. Lett. 2001. V. 78. №3. Р. 362-364.

5. Marysko M., Pollert E., Kaman O., Veverka P., Jirak Z. Manganese Perovskite and the Duwnturn of Inverse Susceptibility above the Curie Temperature // Acta Physica Polonica A. 2010. V. 118. №5. P. 792-793.

6. Hu J., Qin H., Chen J., Wang Z. High Frequency Behavior of La0.7Sr0.3MnO3 with Giant Magnetoimpedance Effect // Materials Transactions. 2002. V. 43. №3. Р. 523-526.

7. Кабиров Ю.В., Чупахина Т.И., Гавриляченко В.Г., Гавриляченко Т.В., Ситало Е.И., Чебанова Е.В. Несегнетоэлектрическая керамика La2-xSrxNiO4 с колоссальной диэлектрической проницаемостью. // Инженерный вестник Дона», 2014, № 1 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n1y2014/2219/.

8. Фиговский О. Новейшие нанотехнологии // Инженерный вестник Дона, 2012, №1 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n1y2012/725/.

9. Gupta K, Jana P.C., Meikap A.K. High Magnetoresistance of the Composite of Polyaniline Nanotubes with La0.67Sr0.33MnO3. Determination of Stiffness Constant and Range of Interaction of this composite // International Journal of Soft Computing and Engineering (IJSCE). 2012. V. 1. I. 6. Р. 10-14.

10. Гавриляченко В.Г., Кабиров Ю.В., Панченко Е.М., Ситало Е.И, Гавриляченко Т.В., Милов Е.В., Лянгузов Н.В. Особенности диэлектрического спектра CaCu3Ti4O12 в низкочастотном диапазоне // ФТТ. 2013. V. 55. В. 8. Р. 1540-1543.

11. Болтаев А.П., Пудонин Ф.А. Эффективная диэлектрическая проницаемость системы металлических наноостровов в сильных электрических полях // Краткие сообщения по физике ФИАН. 2011. №7. С. 3-13.

12. Кабиров Ю.В., Гавриляченко В.Г., Богатин А.С., Чупахина Т.И., Гавриляченко Т.В. Магниторезистивность стеклокомпозитов La0,7Sr0,3MnO3/Sb2O3 при комнатной температуре // ФТТ. 2015. Т. 57. В. 1. С. 16-18.

References

1. Nagaev E.L. UFN. 1996. T. 166. № 8. рр. 833-858.

2. Krivoruchko V.N. FTT. 2001. T. 43. V. 4. рр. 678-682.

3. Kushnir S.E., Vasil'ev A.V., Zaytsev D.D., Kazin P.E., Tret'yakov Yu.D. Poverkhnost'. Rentgenovskie, sinkhrotronnye i neytronnye issledovaniya. 2008. № 1. рр. 38-41.

4.Gupta S., Ranjit R., Mitra C., Raychaudhuri P., Pinto R. Appl. Phys. Lett. 2001. V. 78. №3. рр. 362-364.

5.Marysko M., Pollert E., Kaman O., Veverka P., Jirak Z. Acta Physica Polonica A. 2010. V. 118. №5. рр. 792-793.

6.Hu J., Qin H., Chen J., Wang Z. Materials Transactions. 2002. V. 43. №3. рр. 523-526.

7.Kabirov Yu.V., Chupakhina T.I., Gavrilyachenko V.G., Gavrilyachenko T.V., Sitalo E.I., Chebanova E.V. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2014, № 1 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n1y2014/2219/.

8.Figovskiy O. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, №1 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n1y2012/725/.

9.Gupta K, Jana P.C., Meikap A.K. International Journal of Soft Computing and Engineering (IJSCE). 2012. V. 1. I. 6. рр. 10-14.

10.Gavrilyachenko V.G., Kabirov Yu.V., Panchenko E.M., Sitalo E.I, Gavrilyachenko T.V., Milov E.V., Lyanguzov N.V. FTT. 2013. V. 55. V. 8. рр. 1540-1543.

11.Boltaev A.P., Pudonin F.A. Kratkie soobshcheniya po fizike FIAN. 2011. №7. рр. 3-13.

12.Kabirov Yu.V., Gavrilyachenko V.G., Bogatin A.S., Chupakhina T.I., Gavrilyachenko T.V. FTT. 2015. T. 57. V. 1. рр. 16-18.

Размещено на Allbest.ru