Влияние барьерных веществ на магниторезистивные свойства композитов на основе манганита лантана стронция

Влияние барьерных веществ на магниторезистивные свойства композитов на основе манганита лантана стронция

Ю.В. Кабиров1, В.Г. Гавриляченко1, А. С. Богатин1, Е.В. Чебанова2, Н.В. Пруцакова2, Е.Б. Русакова2

1 Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону 2Донской государственный технический университет, Ростов-на-Дону

Аннотация: На основе собственных, а также литературных экспериментальных данных, проводится анализ влияния барьерного материала, используемого для создания гетерогенных композитов на основе La0.7Sr0.3MnO3, на их магниторезистивные свойства. Такие композиты отличаются наличием изотропной отрицательной магниторезистивности (MR), связанной со спин-зависимым туннелированием носителей в магнитном поле. Наибольшие величины MR, до 15 % в поле 15 кОв, проявляются при использовании стеклоподобного оксида GeO2 при перколяционном соотношении компонент. Ключевые слова: манганит лантана стронция, композитный материал, керамика, одношаговый синтез, магниторезистивность, порог перколяции, диэлектрическая проницаемость, барьерный слой, туннелирование, спиновая поляризация.

Магниторезистивные керамические композиты на основе манганита Ьа0.78г03МпОз (ЬБМО) в силу своего микроструктурного строения (ферромагнитные кристаллиты и барьерная прослойка) представляют собой новый интересный класс активных материалов. В определенной области соотношения компонентов ЬБМО и барьерной прослойки, обычно изолятора, (I), возможно проявление значительного отрицательного изотропного магниторезистивного эффекта (МЯ) [1 - 19]. В относительно слабых магнитных полях (до 15 кОв) сопротивление образцов уменьшается на 10 - 15%. Обычно, такое явление наблюдается в области так называемого порога перколяции, при нарушении связности проводящей фазы кристаллитов ЬБМО для некоторой концентрации изолятора. Именно вблизи перколяционного порога наблюдаются высокие значения отрицательной магниторезистивности. Это может быть следствием разориентации магнитных моментов кристаллитов манганита, а также большого числа

туннельных барьеров между ними. Зависимость сопротивления материала в этом случае описывается моделью Слончевски [16], физический смысл которой состоит в ориентации кристаллитов в магнитном поле и облегченном (спин-зависимом) туннелировании носителей при этом. Судя по доступной литературе, в настоящее время синтез магниторезистивных композитов проводится на уровне искусства. Следует также отметить, что в большинстве работ авторы исследуют магниторезистивность композитов с малым или значительным содержанием барьерного вещества, но не вблизи порога перколяции, что обедняет физический смысл исследований [2 - 8]. Однако, согласно данным экспериментов [17] межкристаллитная прослойка может играть роль не только туннельного барьера. Величина и даже знак магнитосопротивления меняются в зависимости от вида барьерного вещества [17, 18]. Авторы [17] проводили эксперименты на планарных конструкциях Co/LSMO/I, и возникновение положительной магниторезистивности (РМ^ объяснили обращением ориентации спина электронов в приконтактном слое LSMO/Co при наличии магнитного поля.

Цель нашей работы - выявление факторов, оказывающих основное влияние на величины MR в керамических композитах LSMO/I. Для этого мы провели анализ собственных и литературных данных по магниторезистивности при комнатной температуре в керамических гетерогенных композитах на основе LSMO. При этом внимание уделялось как технологии синтеза, так и функциональности приготовленных материалов - высоким значениям MR в относительно слабых полях, химической стабильности в атмосфере, нетоксичности, плотности керамики. Наилучшее сочетание таких свойств позволяет надеяться на практическое применение композитов в качестве датчиков магнитного поля или в устройствах хранения информации. В таблице 1 представлены характерные данные по магниторезистивности гетерогенных композитов на основе LSMO.

Если не указана температура, то величины MR относятся к комнатной температуре. Отмечена причина использования того или иного барьерного вещества при синтезе композита.

Таблица № 1

Данные величин отрицательной магниторезистивности для LSMO и

различных барьерных веществ и температур

LSMO, источник Массовый процент барьерного вещества, информация о нем Напряженность магнитного поля при комнатной температуре Максимальная MR при комнатной температуре

[2] 4%, Та205, высокое значение диэлектрической проницаемости барьера 3 кОв 3,7%

[3] 10%, La2Oз, совместимость с LSMO 0,5 кОв 2,22 %

[4] 20%, SrFe12O19, увеличивает спиновое рассеяние 1 кОв

[5] 20%, Се02, слабо взаимодействует с оксидами 0,5 кОв 1,8 %

[6] 8%, Sb2O5, очень склонен к коллоидизации 0,3 кОв 2,5 %

[7] 25 %, SiO2, хорошо окружает гранулы 0,2 кОв 1,8 %

[8] 20%, N10, не взаимодействует с LSM0 10 кОв 0,5 кОв 13 % 1,2 %

[9] 10%, Sb203, хорошо окутывает гранулы в процессе синтеза 1 кОв 10 кОв 1,5 % 9 %

1К1 Инженерный вестник Дона, №2 (2017) Н| ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n2y2017/4108

Таблица № 2

ЬБМО, источник Массовый процент барьерного вещества, информация о нем Напряженность магнитного поля при комнатной температуре Максимальная МЯ при комнатной температуре

[10] 30 %, БгТЮ3 , химическая стабильность 100 Ов 1,35 %

[11] 1,5 %, ТЮ2, увеличивает сопротивление и смещает Тс 100 Ов 16%, 70 К

[11] 10 %, ТЮ2, хороший изолятор 250 Ов 6,5%, 77 К

[12] 33 %, СиО, изучение влияния ширины запрещенной зоны и потенциального барьера, Её = 1,1 вК 20 кОв 5 %

[12] 33 %, 7пО, Её = 3,3 вК 20 кОв 6 %

[12] 33 %, АЬО3, Её = 6,2 вК 20 кОв 8 %

[13] 1-3 %, CuFe2O4, хороший изолятор 5 кОв 5 %

[14] 3%, ZnFe2O4, не изучен в качестве барьера 10 кОв 3,5 %

[15] 20 %, CoFe2O4, химическая стабильность 3 кОв 2 %

Как видно из этих данных, в качестве второй фазы магниторезистивного материала использованы различные соединения, из самых различных соображений. Результаты при этом сильно различаются. На значения MR оказывает явное положительное влияние большая ширина запрещенной зоны барьерного вещества [12]. Отрицательное влияние оказывает рассеивающая способность ферритов для спин-поляризованных электронов, при этом, естественно, не достигаются высокие значения MR [4, 13-15].

Отметим благотворное влияние аморфных стеклоподобных соединений Ge02, Si02, Sb203, Li4P207 при окружении гранул LSM0 при синтезе композитов, и, вероятно, связанные с этим фактом значительные величины MR в этих случаях. Правда, химической стабильностью и отсутствием даже частичного разрушения после синтеза отличаются лишь образцы LSM0/Ge02 [19]. В настоящей работе изучено влияние гидростатического давления при прессовании наиболее перспективных составов перед синтезом в один шаг LSM0/Ge02 на достижимые значения MR. Величины давлений варьировались от 10 МПа до 500 МПа. Наилучшие показатели MR оказались у образцов, прессованных при давлениях 50-100 МПа. Понижение или повышение давления прессования приводит к значительному (20-40 %) уменьшению MR. При этом изменялась плотность керамики после синтеза: от 2,7 г/см3 до 5,3 г/см3 в зависимости от приложенного давления к составам. Оптимальное значение плотности керамики в области перколяции, синтезированной по нашей технологии в один шаг, находится в пределах от 3,1 г/см3 до 3,3 г/см3.

Таким образом, можно заключить, что существует ряд факторов, оказывающих существенное влияние на значения магниторезистивности в керамических композитах на основе LSM0:

1. Невысокая химическая активность барьерного вещества.

2. Как правило, барьерное соединение должно обладать широкой запрещенной зоной.

3. Возможность окутывания кристаллитов LSMO расплавом или ультрадисперсной фракцией.

4. Наибольший эффект MR проявляется в области перколяции при разрушении связности проводящей фазы (LSMO).

Существует интервал значений плотности керамики, в котором проявляются наибольшие значения MR, 14 % в магнитном поле 15 kOe.

Литература

1. Кабиров Ю.В., Гавриляченко В.Г., Богатин А.С., Чупахина Т.И., Русакова Е.Б., Чебанова Е.В. Стеклокомпозиты на основе магнитного полупроводника La067Sr0 33MnO3 как функциональные материалы // Инженерный вестник Дона, 2014, №3 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2014/2605.

2. Yang X.S., Yang Y., He W., heng C.H. and Zhao Y. Low-field magnetoresistance in La0.7Sr03MnO3/Ta2O5 composites // J. Phys. D: Appl. Phys. 2008. V. 41. pp. 115009 - 115014.

3. Kim H.-J., Yoo S.-I. Enhanced low field magnetoresistance in La07Sr03MnO3 - La2O3 composites // J. of Alloys and Comp. 2012. V. 521. pp. 30 - 34.

4. Zi Zh., Fu Y., Liu Q., Dai J., Sun Y. Enhanced low-field magnetoresistance in LSMO/SFO composite system // J. Magn. Magn. Mater. 2012. V. 324. pp. 1117 - 1121.

5. Balcells L., Carrillo A.E., Martinez B., and Fontcuberta J. Enhanced field sensitivity close to percolation in magnetoresistive La2/3Sr1/3MnO3/CeO2 composites // Appl. Phys. Lett. 1999. V. 74. № 26. pp. 4014 - 4016.

6. Miao J.-H., Yuan S.-L., Ren G.-M., Xiao X., Yu G.-Q., Wang Y.-Q. and Yin Sh.-Y. Enhancement of room temperature magnetoresistance in

IВЦ Инженерный вестник Дона, №2 (2017) Н| ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n2y2017/4108

(1 - x)Lao.67Sro.33MnO3/xSb2O5 composites // J. Phys. D: Appl. Phys. 2006. V. 39. pp. 2897 - 2901.

7. Gupta S., Ranjit R., Mitra C., Raychaudhuri P., Pinto R. Enhanced roomtemperature magnetoresistance in La07Sr03MnO3-glass composites // Appl. Phys. Lett. 2001. V. 78. №3. pp. 362 - 364.

8. Gaur A., Varma G.D. Magnetoresistance behaviour of La07Sr03MnO3/NiO composites // Solid State Communications. 2006. V. 139. pp. 310 - 314.

9. Кабиров Ю.В., Гавриляченко В.Г., Богатин А.С., Чупахина Т.И., Гавриляченко Т.В. Магниторезистивность стеклокомпозитов La07Sr03MnO3 / Sb2O3 при комнатной температуре // ФТТ. 2015. Т. 57. В. 1. С. 16 - 18.

10. Shlyakhtin O.A., Shin K.H., and Oh Y.-J. Enhancement of low field magnetoresistance by hemical interaction in bulk composites La0,ySr0,3MnO3/SrMeO3 (Me = Ti, Zr) // J. Appl. Phys. 2002. V. 91. №10. pp. 7403 - 7405.

11. Gaur A. and Varma G.D. Electrical and magnetotransport properties of La0,7Sr0,3MnO3/TiO2 composites // Cryst. Res. Technol. 2007. V. 42. №2. pp. 164 - 168.

12. Zhou Zh.-Yu., Wu X.-Sh., Luo G.-Sh., Jiang F.-Y. Effect of second introduced phase on magnetotransport properties of La0,7Sr03Mn03/0.33(Cu0, ZnO, AhO3) composites // Trans. nonferrous met. Soc. China. 2008. V. 18. pp. 890 - 896.

13. Seo Y.J., Kim G.W., Sung C.H., Lee C.G. and Koo B.H. Magnetic and electrical transport properties on (La0,7Sr03MnO3)1-x/(CuFe2O4)x composites // J. Phys.: Conference Series. 2011. V. 266. pp. 1 - 6.

14. Seo Y.J., Kim G.W., Sung C.H., Lee C.G. and Koo B.H. Electrical transport properties and magnetoresistance of (1-x)Lao,7Sr03MnO3/xZnFe2O4 Composites // Kor. J. Mater. Res. 2010. V. 20. № 3. pp. 137 - 141.

IВЦ Инженерный вестник Дона, №2 (2017) Н| ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n2y2017/4108

15. Yan Ch.-H.., Xu Zh.-G., Zhu T., Wang Zh.-M., Cheng F.-X., Huang Yu.-H., and Liao Ch.-Sh. A large low field colossal magnetoresistance in the La0,7Sr0,3MnO3 and CoFe2O4 combined system // J. Appl. Phys. 2000. V. 87. №9. pp. 5588 - 5590.

16. Slonczewski J.C. Conductance and exchange coupling of two ferromagnets separated by a tunneling barrier // Phys. Rev. B. 1989. V. 39. №10. pp. 6995 - 7002.

17. De Teresa J.M., Barthélémy A., Fert A., Contour J.P., Lyonnet R., Montaigne F., Seneor P., and Vaurès A. Inverse tunnel magnetoresistance in Co/SrTiO3/La0,7Sr03MnO3: new ideas on spin-polarized tunneling // Phys. Rev. Lett. 1999. V. 82. pp. 4288 - 4291.

18. Gerber A., Milner A., Groisman B., Karpovsky M., and Gladkikh A. Magnetoresistance of granular ferromagnets // Phys. Rev. B. 1997. V. 55. №10. pp. 6446 - 6452.

19. Кабиров Ю.В., Гавриляченко В.Г., Богатин А.С., Чупахина Т.И., Чебанова Е.В., Русакова Е.Б. Композитные керамические материалы с отрицательной и положительной магноторезистивностью на основе La07Sr03MnO3 // Инженерный вестник Дона, 2015, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2015/3345.

References

1. Kabirov Yu.V., Gavrilyachenko V.G., Bogatin A.S., Chupakhina T.I., Rusakova E.B., Chebanova E.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2014, №3 URL: ivdon.ru/ru/magazine/ archive/n4y2014/2605.

2. Yang X.S., Yang Y., He W., Heng C.H. and Zhao Y. J. Phys. D: Appl. Phys. 2008. V. 41. pp. 115009 - 115014.

3. Kim H.-J., Yoo S.-I. J. of Alloys and Comp. 2012. V. 521. pp. 30 - 34.

4. Zi Zh., Fu Y., Liu Q., Dai J., Sun Y. J. Magn. Magn. Mater. 2012. V. 324. pp. 1117 - 1121.

5. Balcells L., Carrillo A.E., Martinez B., and Fontcuberta J. Appl. Phys. Lett. 1999. V. 74. №26. pp. 4014 - 4016.

6. Miao J.-H., Yuan S.-L., Ren G.-M., Xiao X., Yu G.-Q., Wang Y.-Q. and Yin Sh.-Y. J. Phys. D: Appl. Phys. 2006. V. 39. pp. 2897 - 2901.

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

8. Gaur A., Varma G.D. Solid State Communications. 2006. V. 139. pp. 310 - 314.

9. Kabirov Yu.V., Gavrilyachenko V.G., Bogatin A.S., Chupakhina T.I., Gavrilyachenko T.V. FTT. 2015. V. 57(1). pp. 16 - 18.

10. Shlyakhtin O.A., Shin K.H., and Oh Y.-J. J. Appl. Phys. 2002. V. 91. №10. pp. 7403 - 7405.

11. Gaur A. and Varma G.D. Cryst. Res. Technol. 2007. V. 42. №2. pp. 164 - 168.

12. Zhou Zh.-Yu., Wu X.-Sh., Luo G.-Sh., Jiang F.-Y. Trans. nonferrous met. Soc. China. 2008. V. 18. pp. 890 - 896.

13. Seo Y.J., Kim G.W., Sung C.H., Lee C.G. and Koo B.H. J. Phys.: Conference Series. 2011. V. 266. pp. 1 - 6.

14. Seo Y.J., Kim G.W., Sung C.H., Lee C.G. and Koo B.H. Kor. J. Mater. Res. 2010. V. 20. №3. pp. 137 - 141.

15. Yan C.-H., Xu Z.-G., Zhu T., Wang Z.-M., Cheng F.-X., Y.-H. Huang and Liao C.-S. J. Appl. Phys. 2000. V. 87. № 9. pp. 5588 - 5590.

16. Slonczewski J.C. Phys. Rev. B. 1989. V. 39. №10. pp. 6995 - 7002.

17. De Teresa J.M., Barthélémy A., Fert A., Contour J.P., Lyonnet R., Montaigne F., Seneor P., and Vaurès A. Phys. Rev. Lett. 1999. V. 82. pp. 4288 - 4291.

18. Gerber A., Milner A., Groisman B., Karpovsky M., and Gladkikh A. Phys. Rev. B. 1997. V. 55. №10. pp. 6446 - 6452.

Iljfl Инженерный вестник Дона, №2 (2017) Н| ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n2y2017/4108

19. Kabirov Yu.V., Gavrilyachenko V.G., Bogatin A.S., Chupakhina T.I., Chebanova E.V., Rusakova E.B. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2015, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2015/3345.