Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор 11
1.1. Методы получения гранулированных нанокомпозитов 11
1.2. Структура нанокомпозитов металл-диэлектрик 17
1.3. Электрические свойства нанокомпозитов металл-диэлектрик 26
1.4. Магниторезистивные свойства нанокомпозитов металл-диэлектрик... 42
1.5. Выводы, цели и задачи диссертации 54
2. Методика эксперимента 56
2.1. Методика получение гранулированных композитов и подготовка образцов 56
2.2. Методика измерения магниторезистивных и электрических свойств гранулированных композитов 59
2.3. Методика измерения намагниченности нанокомпозитов 63
2.4. Методика проведения температурных исследований электрического
сопротивления композитов в температурном интервале 295 - 1100 К 65
2.5. Анализ структуры образцов 67
3. Электрические свойства гранулированных нанокомпозитов Со-АЮ, Co-SiO, и Co-CaF 68
3.1. Концентрационные зависимости удельного электрического сопротивления нанокомпозитов Сох(АІ20п)юо-х> Cox(SiOn)ioo-x, Cox(CaFn)i0o.x 68
3.2. Структура нанокомпозитов Co-CaF и Co-SiO 71
3.3. Механизмы электропереноса в гранулированных нанокомпозитах Со-АЮ и Co-CaF 75
3.4. Влияние нагрева на электрические свойства нанокомпозитов Со-АЮ, Со-SiO, и Co-CaF 86
4. Магнитотранспортные свойства гранулированных нанокомпозитов Со-АЮ, Co-SiO и Co-CaF 92
4.1. Отрицательное магнитосопротивление гранулированных нанокомпозитов Со-АЮ, Co-SiO и Co-CaF 92
4.2 Аномальное положительное магнитосопротивление гранулированных нанокомпозитов Со-АЮ и Co-SiO 95
4.3. Изотропность положительного магниторезистивного эффекта в гранулированных нанокомпозитах Со-АЮ 100
4.4. Влияние кислорода на электрические и магнитотранспортные свойства гранулированных нанокомпозитов Со-АЮ 102
4.5. Влияние температурного фактора на ПМС гранулированных нанокомпозитов Со-АЮ 105
4.6. Модель положительного магнитосопротивления в гранулированных нанокомпозитах металл-диэлектрик 107
4.7. Магнитотранспортные свойства гранулированных нанокомпозитов Со-АЮ, Co-SiO и Co-CaF при температуре 77 К 115
4.8. Влияние нагрева на ПМС гранулированных нанокомпозитов Со-АЮ 121
4.9 Причины отсутствия положительного магнитосопротивления в системе Co-CaF 122
Основные результаты и выводы 124
Список используемой литературы
- Электрические свойства нанокомпозитов металл-диэлектрик
- Методика измерения магниторезистивных и электрических свойств гранулированных композитов
- Механизмы электропереноса в гранулированных нанокомпозитах Со-АЮ и Co-CaF
- Изотропность положительного магниторезистивного эффекта в гранулированных нанокомпозитах Со-АЮ
Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время одним из наиболее динамично развивающихся направлений современной физики твердого тела является изучение фундаментальных свойств и практическое применение искусственно создаваемых наносред, с масштабом гетерогенности 1-Ю нм. Связано это с тем, что наноразмерные структуры многих веществ приобретают новые физические свойства, которые не могут быть реализованы в материалах с мезоскопическим или микроскопическим размером неоднородностей. Наногранулированные композиционные материалы металл - диэлектрик (представляющие собой металлические гранулы диаметром несколько нанометров, распределенные в объеме диэлектрической матрицы) являются одними из наиболее интересных структур такого класса.
Нанодискретность металлической фазы композитов обуславливает появление в них новых макроскопических свойств: гигантского туннельного магнитосопротивления, аномального эффекта Холла, аномально высокого значения эффекта Керра, высокого значения коэффициента поглощения СВЧ-излучения и целого ряда других необычных физических свойств. Важным аспектом изучения физических свойств этих материалов является исследование электропроводности, величина которой может изменяться на несколько порядков в зависимости от соотношения долей металлической и диэлектрической фаз.
Несмотря на интенсивные исследования нанокомпозитов, практически отсутствует сравнительное и систематическое изучение систем, полученных в идентичных условиях, но различающихся материалом диэлектрической фазы, не показана роль и влияние материала диэлектрической фазы на свойства композитов. Крайне мало результатов о подробном исследовании концентрационной зависимости физических свойств композитов с небольшим
5 шагом по составу. Вместе с тем, такие исследования необходимы для выяснения механизмов реализации физических свойств наногранулированных композитов и их изменении при внешних воздействиях.
В настоящее время в ряде публикаций сообщается о наблюдении аномального положительного магнитосопротивления в нанокомпозитах металл - диэлектрик. Объяснения, предлагаемые в этих работах, различны и порой противоречат друг другу. Однако перспективы практического применения композитов обуславливают необходимость тщательного исследования этого аномального эффекта, установления физического механизма и определения критериев его появления в гранулированных нанокомпозитах.
Тема диссертации соответствует «Перечню приоритетных направлений фундаментальных исследований», утвержденных Президиумом РАН (раздел 1.2- «Физика конденсированного состояния вещества»). Диссертационная работа является частью комплексных исследований, проводимых на кафедре физики твердого тела Воронежского государственного технического университета по грантам РФФИ: № 06-02-81035-Бел_а «Нелинейные явления в композитных и мультислойных магнитных наноструктурах при воздействии внешних полей», № 06-08-01045-а «Аномальные магнитотранспортные эффекты в наногранулированных композиционных материалах металл-диэлектрик», № 05-02-17012-а «Магнитоэлектрический эффект и магнитосопротивление в гранулированных нанокомпозитах и многослойных наноструктурах ферромагнетик - сегнетоэлектрик», № 03-02-96486-р2003цчр_а «Магнитный импеданс и магнитосопротивление ферромагнитных гранулированных нанокомпозитов и многослойных наноструктур».
Цель и задачи работы
Целью работы являлось обнаружение, исследование и установление механизмов положительного магнитосопротивления в гранулированных нанокомпозитах металл - диэлектрик и изучение влияния материала
диэлектрической матрицы (оксидной и неоксидной) на этот эффект и на электрические свойства нанокомпозитов.
Для достижения указанной цели были сформулированы следующие задачи:
Методом ионно-лучевого распыления получить гранулированные нанокомпозиты, состоящие их гранул Со и различных оксидных (SiC^, AI2O3) и неоксидных (СаБг) диэлектрических матриц, в широком интервале составов.
Провести исследование электрических свойств полученных нанокомпозитов. Определить влияние материала матрицы на механизмы электропереноса в нанокомпозитах.
Исследовать магниторезистивные свойства композитов и экспериментально определить условия возникновения аномального положительного магнитосопротивления.
Исследовать влияние температурного фактора на вид и величину магнитосопротивления нанокомпозитов. Изучить влияние кислорода на электрические и магнитотранспортные свойства нанокомпозитов.
Установить критерии возникновения положительного магнитосопротивления в гранулированных нанокомпозитах металл-диэлектрик.
Научная новизна
В работе впервые:
Исследованы электрические и магнитотранспортные свойства гранулированных нанокомпозитов Co-CaF с бескислородной кристаллической диэлектрической матрицей. Обнаружено наличие в композитах отрицательного туннельного магнитосопротивления. Установлено, что электроперенос в доперколяционнных композитах Co-CaF осуществляется туннелированием электронов из гранулы в гранулу через диэлектрический барьер и прыжковой проводимостью по локализованным состояниям вблизи уровня Ферми.
Обнаружено наличие аномального положительного магнитосопротивления в нанокомпозитах Со-А10 и Co-SiO в широком
7 концентрационном интервале и отсутствие этого эффекта в системе Co-CaF. Экспериментально показано, что наличие кислорода в композитах не является причиной положительного магнитосопротивления. Предложен механизм возникновения наблюдаемого эффекта.
Сформулирован количественный критерий появления изотропного положительного магнитосопротивления в гранулированных нанокомпозитах металл-диэлектрик.
Установлено, что положительное магнитосопротивление является температурозависимым эффектом - охлаждение композитов ниже температуры бифуркации приводит к исчезновению эффекта, что связано с переходом от суперпарамагнитного состояния композита к состоянию с термической блокировкой магнитных моментов наногранул.
Практическая значимость работы
Показана практическая возможность получения гранулированных нанокомпозитов с диэлектрической матрицей из фторида кальция и впервые получены гранулированные нанокомпозиты в системе Co-CaF.
Сформулированы четкие критерии, позволяющие получать нанокомпозиты с положительным магнитосопротивлением.
Определены температурные интервалы устойчивости наногранулированной структуры в композитах Co-SiO, Со-АЮ и Co-CaF.
Композиты Co-SiO и Со-АЮ, одновременно проявляющие положительное и отрицательное магнитосопротивление, могут служить основой для создания новых типов реле, реагирующих на определенное значение магнитного поля.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту
1. Получение наногранулированной структуры в бескислородной системе Co-CaF. Обнаружение отрицательного магнитосопротивления и комбинированного механизма электропереноса (туннелирование между
8 гранулами и туннелирование по локализованным состояниям диэлектрической матрицы) в композитах Co-CaF с кристаллической матрицей CaF2.
Наличие высокой термической устойчивости наногранулированной структуры (до температур 600 - 700 К) в композитах с моноэлементной металлической фазой Со-А10, Co-SiO и Co-CaF и эффект обратимого уменьшения электрического сопротивления композитов Co-SiO и Co-CaF на 2-3 порядка при последовательном нагреве до температур, превышающих 700 К.
Экспериментальное обнаружение аномального, изотропного относительно взаимной ориентации поля и тока, положительного магнитосопротивления в композитах Co-SiO и Со-А10 в широком интервале составов (47 - 65 ат. % Со и 55 - 67 ат. % Со).
Сформулированные условия возникновения положительного магнитосопротивления в нанокомпозитах металл-диэлектрик и количественный критерий, выполнение которого приводит к наличию эффекта при определенных температурах.
5. Совокупность результатов исследования положительного
магнитосопротивления, доказывающих справедливость количественного
критерия возникновения положительного магнитосопротивления.
Апробация работы
Основные результаты работы были представлены на следующих научных конференциях:
Всероссийской научной конференции ВНКСФ-10. - Москва, 2004.
Международной конференции «Euro-Asian Symposium "Trends in Magnetism" EASTMAG-2004». - Красноярск, 2004.
II Всероссийской научной конференции молодых ученых и студентов. -Краснодар, 2005.
Международной конференции «Moscow International Symposium on Magnetism (MISM-2005)». - Москва, 2005.
Всероссийской научной конференции ВНКСФ-11, - Екатеринбург, 2005,
45-ой научно-технической конференции профессорско-
преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов. - Воронеж, 2005.
Всероссийской научной конференции «Нанотехнологии-производству-2005» - Фрязино,2005.
46-ой научно-технической конференции профессорско-
преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов. - Воронеж, 2006.
XX Международной юбилейной школе-семинаре «Новые магнитные материалы микроэлектроники». - Москва, 2006.
Третьей всероссийской конференции с международным участием «Химия поверхности и нанотехнология». - Санкт-Петербург, Хилово, 2006.
Международной конференции «Clusters and Nanostructured Materials (CNM 2006)». - Ужгород, 2006.
II Всероссийской конференции по наноматериалам «НАНО-2007». -
Новосибирск, 2007.
IV Международном семинаре «Наноструктурные материалы-2007 Беларусь-Россия». - Новосибирск, 2007.
Всероссийской научной конференции ВНКСФ-13. - Ростов-на-Дону-Таганрог, 2007.
47-ой научно-технической конференции профессорско-
преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов. - Воронеж, 2007.
III международной школе «Физическое материаловедение». - Тольятти,
2007.
Международной научной конференции «Актуальные проблемы физики твердого тела» ФТТ-2007. Минск, 2007.
10 Публикации
По теме диссертации опубликовано 20 научных работ, в том числе 1 - в издании, рекомендованном ВАК РФ.
Личный вклад автора
Автором выполнены все измерения намагниченности, удельного электрического сопротивления и магниторезистивного эффекта полученных композитов в зависимости от концентрации металла и при различных температурах в исходном состоянии и после отжигов. Проведена обработка экспериментальных результатов средствами вычислительной техники. Автор участвовал в обсуждении результатов эксперимента и проводил подготовку научных публикаций для печати.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и списка литературы из 123 наименования. Основная часть работы изложена на 138 страницах, содержит 67 рисунков и 2 таблицы.
Электрические свойства нанокомпозитов металл-диэлектрик
Электрические свойства гранулированных нанокомпозитов радикальным образом зависят от соотношения металлической и диэлектрической фаз в материале. Известно, что можно выделить два режима проводимости в нанокомпозитах, которые обусловлены соотношением фаз и, соответственно, структурой материала.
Металлический режим - режим, возникающий в том случае, когда доля металлической фазы высока. При таком соотношении фаз структура нанокомпозита представляет собой протяженные металлические каналы, пронизывающие весь материал, и обеспечивающие преимущественно металлический тип проводимости. Внутри этих каналов или между ними существуют диэлектрические области, которые увеличивают общий уровень электросопротивления материала, но не влияют на механизм проводимости в целом. Для этого режима характерны относительно низкие значения электрического сопротивления материалов и положительный температурный коэффициент электросопротивления.
Диэлектрический режим - реализуется при невысокой объёмной доле металлической фазы. Структура такого материала состоит из электрически изолированных друг от друга металлических гранул, разделённых диэлектрическими прослойками. Очевидно, что металлическая проводимость в таких материалах не может осуществляться. Диэлектрический режим характеризуется высокими значениями удельного электросопротивления, которые резко увеличиваются при уменьшении доли металла в композите.
Теоретически в этом режиме возможна реализация нескольких механизмов проводимости. Первый механизм - это непосредственное туннелирование электронов между металлическими гранулами через непроводящий барьер [2]. Авторами такой модели были П. Шенг и Б. Абелес.
При переносе заряда электрон должен туннелировать из одной нейтральной гранулы в другую, создавая, тем самым, пару отрицательно и положительно заряженных гранул [49, 50]. В гранулированных нанокомпозитах металл-диэлектрик зарядовая энергия имеет вид где d - размер гранулы, s - расстояние между поверхностями гранул, определенное, как самый короткий путь, соединяющий границы зерен, a F -функция, вид которой зависит от формы и расположения гранул и взаимодействия между парами зарядов. Величина зарядовой энергии Ес состоит из двух составляющих: энергии Ес, требующейся для образования пары пространственно разделенных положительно и отрицательно заряженных гранул и энергии ЕС) которая требуется для образования пары соседних положительно и отрицательно заряженных гранул. При этом Ее КЕС\2.
На электроперенос в гранулированных нанокомпозитах существенным образом влияет параметр Ее. В случае, когда падение напряжения AV между соседними металлическими гранулами много меньше, чем кТ/е, носители заряда становятся термически активированными. Концентрация носителей заряда, на образование которых требуется энергия Ес, пропорциональна больцмановскому фактору При понижении температуры концентрация носителей заряда резко уменьшается, пока при Т=0 К почти все гранулы не становятся электрически нейтральными. При таких низких температурах электрический ток может протекать в нанокомпозите только при приложении высокого электрического поля, в этом случае носители заряда генерируются электрическим полем, как только разность потенциалов между двумя соседними металлическими гранулами становится больше, чем
Ехс/е. Процесс генерации электрическим полем показан на рис. 1.9. Авторы работы [2] столкнулись с проблемой, заключающейся в том, что существует широкое распределение величин Ес из-за вариаций размера металлических гранул. В итоге Ес оказывается не столь удобной характеристикой материала. Однако, детальное рассмотрение структурного происхождения величины Ес показывает, что хотя величины d, s, и Ес по отдельности не являются постоянными для гранулированного нанокомпозита, произведение sEc - константа, величина которой зависит только от объемной доли металла х в образце и диэлектрической проницаемости изолятора.
В связи с тем, что гранулированный нанокомпозит сформирован поверхностной диффузией распыляемых атомов металла и молекул диэлектрика, следует ожидать, что относительная объемная доля металла и диэлектрика будет одна и та же при усреднении по объему, большему, чем несколько длин поверхностной диффузии ( 100 А). То есть, если в области с линейными размерами 100 А проанализировать объемные доли металла и диэлектрика, то эти доли будут постоянны и равны соответствующим величинам для объема образца. Из условия однородности состава по шкале длины поверхностной диффузии изложенного выше вытекает соотношение между средним размером гранулы и средним расстоянием между гранулами внутри малых областей (100 А) образца. Другими словами, возможно, что расстояние между гранулами большего размера будет больше, чем между гранулами меньшего размера. Предположим, что все гранулы имеют приблизительно одинаковый размер в пределах малых областей образца (но этот размер может изменяться при переходе из одной такой области в другую), то размер гранулы d в каждой области должен быть прямо пропорционален расстоянию между гранулами s, а соотношение s/d - это постоянная величина, которая зависит только от х. Этот простой факт проиллюстрирован на рис. 1.10. Из соотношения (1.3) и условия sid = const следует, что sEc = const для данного соотношения металла и диэлектрика.
Методика измерения магниторезистивных и электрических свойств гранулированных композитов
Выталкиваемые электрическим полем из плазмы ионы аргона создавали поток частиц высокой энергии, который направлялся на мишень от источника распыления или на подложку от источника ионного травления. Так как данный источник ионов не связан с объектом распыления (мишенью или подложкой), он давал возможность распылять ферромагнитные сплавы, а при наличии компенсатора - и диэлектрические материалы. Концентрация плазмы в области магнитного зазора позволяла избегать сильного разогрева подложек при напылении даже без использования принудительного охлаждения.
Для получения исследуемых гранулированных нанокомпозитов использовалась составная мишень, внешний вид которой показан на рисунке 2.3. Составная мишень представляла собой прямоугольную литую основу из чистого Со (1) с расположенными на ее поверхности пластинами диэлектрика (2) одинакового размера, но на различном расстоянии друг от друга. В качестве диэлектрика использовались пластины SiCb, А120з, CaF. Важной особенностью такой конфигурации мишени являлось то, что в одном процессе напыления, в одних условиях, происходило формирование гранулированной структуры с широким и непрерывным спектром концентраций металлической фазы. Распыление каждой точки мишени происходило по закону косинусов, максимальная интенсивность выбитых атомов мишени находилась перпендикулярно плоскости мишени. В итоге на подложке осаждался композит, у которого соотношение металла и диэлектрика в каждой области поверхности пропорционально соотношению площадей сплава и оксида на противолежащей области мишени. В результате напыления получалась сплошная пленка покрывающая подложку размером 200x200 мм. Варьируя количеством пластин, их расположением и расстоянием между ними возможно получение образцов любого диапазона составов. Для последующих исследований из монолитных подложек вырезались пластины размером 10x200 мм. Ширина пластины была выбрана таковой, чтобы разброс состава по ее ширине не превышал 0.5 ат.%. Затем пластины разрезались на образцы размером 3x10 мм.
В качестве подложек были использованы ситалловые пластины размером 60x48 мм при напылении образцов для измерения электрического сопротивления, монокристаллы поваренной соли для электронной просвечивающей микроскопии и покровные стекла для спектрального анализа.
Гранулированные нанокомпозиты Co-CaF, Со-АЮ, Co-SiO, были получены в лаборатории кафедры Физики Твердого Тела Воронежского Государственного Технического Университета к.ф.-м.н. Ситниковым А.В.
Поверхность образцов очищалась от органических загрязнении растворителями: бензином или ацетоном. Для хорошего электрического контакта измерительных зондов с образцом использовалась эвтектика (InGa).
Для измерения магниторезистивных и электрических свойств гранулированных нанокомпозитов использовалась установка, собранная по схеме, приведенной на рисунке 2.4. Для создания постоянного магнитного 380В
Схема установки для измерения магниторезистивного эффекта: 1- переменный трансформатор; 2 - выпрямитель; 3 - фильтр; 4 -переключатель полярности магнита; 5 - электромагнит; 6 - датчик Холла; 7 -источник постоянного тока; 8 - амперметр; 9 - образец; 10 - АЦП. поля с минимальными биениями (флуктуациями) во времени, использовалась схема, позволяющая достигать требуемой стабильности поля (рис.2.4). переменный трансформатор (1) запитывался от трехфазной цепи напряжением 380 В и позволял менять напряжение на выходе от 0 В до 380 В. С выхода переменного трансформатора напряжение подавалось на выпрямитель (2), который преобразовывал переменное напряжение в постоянное. Для уменьшения биений постоянного тока во времени использовался RC фильтр (3). Переключатель (4) менял полярность напряжения, подаваемого на катушки электромагнита (5), меняя тем самым направление поля в зазоре. Постоянное магнитное поле в зазоре электромагнита достигало напряженности 9,5x10 А/м (11 кЭ), если расстояние между кернами магнитопроводов составляло 40 мм. Значение напряженности магнитного поля в зазоре электромагнита определялось с помощью датчика Холла (6), запитываемого источником постоянного тока (7), стабильность которого контролировалась амперметром (8). Магниторезистивный эффект заключается в изменения электрического сопротивления материала при изменении напряженности внешнего магнитного поля. Поэтому, для измерения магниторезистивного эффекта в нанокомпозитах измерялось электрическое сопротивление образца (9) при изменении внешнего магнитного поля от 0 до 10000 Э (1 Т) при двух противоположных направлениях поля. При изменении магнитного поля в зазоре, т.е. в том месте, где расположен образец (9) холловское напряжение с датчика Холла подавалось на плату АЦП (10) и пересчитывалось с учетом коэффициента чувствительности к значениям магнитного поля.
Механизмы электропереноса в гранулированных нанокомпозитах Со-АЮ и Co-CaF
Для доперколяционных нанокомпозитов с аморфными оксидными диэлектрическими фазами механизмы проводимости исследованы достаточно хорошо. Основными механизмами являются непосредственное туннелирование электронов между металлическими гранулами и туннелирование по локализованным состояниям в диэлектрической матрице [83, 87 - 89]. Однако совершенно неизвестно, как будет влиять кристалличность и негомогенность диэлектрической фазы в композитах Co-CaF на электроперенос. С целью изучения этого вопроса были проведены исследования температурной зависимости электрического сопротивления нанокомпозитов Со-АЮ и Co-CaF в температурном интервале 77 - 295 К. В данном интервале температур изменение сопротивления композитов не могут быть обусловлены какими-либо релаксационными процессами, поскольку эти процессы если и имели место, то полностью завершены за время выдержки образцов при комнатной температуре. Поэтому получаемые в данном температурном интервале зависимости позволяют корректно исследовать механизмы электропереноса.
Тот факт, что во всех исследованных образцах наблюдается отрицательный ТКС, свидетельствует о неметаллическом характере электропереноса в доперколяционной области составов в нанокомпозитах Сох(АІ20п) 100-х и в Cox(CaFn)ioo-x- Для определения механизма электронного транспорта в нанокомпозитах необходимо перестроить полученные температурные зависимости в координатах In R ос (1/Т),/2 и In R ос (1/Т) /4. Выбор указанных координат обусловлен тем, что именно такие зависимости предсказываются теоретическими моделями, описывающими явления электропереноса в гранулированных композитах металл - диэлектрик изложенными в п. 1.3.
Анализ данных, приведенных на рис. 3.7 - 3.10 (линеализация экспериментальных зависимостей в модельных координатах) свидетельствует о том, что в доперколяционных гранулированных нанокомпозитах могут реализовываться два механизма электропереноса: 1) электроперенос посредством туннелирования электронов непосредственно из гранулы в гранулу через диэлектрический барьер [1, 52]; 2) проводимость посредством термоактивированных прыжков электронов по локализованным состояниям с близкими значениями энергии, находящимся вблизи уровня Ферми диэлектрика [53]. Для соответствующих температурных интервалов и на основе моделей, представленных в п.1.3., были рассчитаны значения среднего числа локализованных состояний по которым электроны туннелируют между соседними гранулами ( п ) и плотности электронных состояний на уровне Ферми (g(EF)) для исследованных композитов.
Для расчета среднего числа локализованных состояний п использовалось выражение (1.19) [61], где у - угол наклона температурной зависимости электрического сопротивления в координатах ln(R/Ro) ос 1п(Т(/Т) (рис.3.11). Расчеты проводились в температурном интервале, для которого экспериментальные данные спрямляются в координатах In R ос (1/Т)1/2 . Именно в этом интервале число локализованных состояний, участвующих в электропереносе постоянно и можно применять «модель Луцева» [61, 88]. В качестве значений Т0 взята температура 273 К, в качестве Ro - сопротивление композита при этой температуре.
Расчёт плотности электронных состояний на уровне Ферми (g(Ep)) производился в соответствии с выражением (1.13) [53], где В - угол наклона температурной зависимости электрического сопротивления в координатах In(RJRo) ее (1/Т)114 (рис.3.12). В качестве радиуса локализации а было взято значение 2 нм. Результаты вычислений для композитов Со-А10 и Co-CaF приведены в таблице 3.1 и 3.2, соответственно.
Как видно из данных, представленных в таблицах 3.1 и 3.2 среднее число локализованных состояний п уменьшается, а плотность состояний на уровне Ферми g(Ep) увеличивается, с увеличением доли металлической фазы в нанокомпозитах Сох(АІ20п)юо-х и Cox(CaFn)ioo-x- Полученные оценки плотности состояния достаточно высоки. Это свидетельствует о том, что источниками локализованных состояний могут быть не только дефекты структуры диэлектрической матрицы, но и граница раздела матрица-гранула, причем с увеличением концентрации металлической фазы и с приближением к порогу перколяции, плотность состояния приближается к значениям, характерным для металлического кобальта, рис.3.13 [90].
Изотропность положительного магниторезистивного эффекта в гранулированных нанокомпозитах Со-АЮ
Положительное магнитосопротивление обнаружено в нанокомпозитах с оксидными диэлектрическими матрицами SiOn и А12Оп, однако отсутствует в нанокомпозитах с неоксидной матрицей - CaFn. В композитах Co-CaF присутствует только отрицательное магнитосопротивление (рис.4.2 г). Очевидный вывод из этого факта заключается в том, что именно наличие кислорода в композитах приводит к появлению ПМС. Если это предположение верно, то изменяя количество кислорода в композите можно значительно изменять величину ПМС. Однако экспериментальная проверка не подтвердила данное предположение.
Для проверки были проведены три напыления нанокомпозитов системы Со-А10 в различных атмосферах: в чистом аргоне и с добавлением в аргон кислорода при давлении (Роху) 3,2 10 5 Торр и 3,5 10"5 Торр. Вся совокупность электрических и магниторезистивных свойств полученных композитов представлена на рис.4.10. Прежде всего, стоит отметить, что увеличение парциального давления кислорода при получении композитов приводит к возрастанию удельного электрического сопротивления на несколько порядков и смещению электрического порога перколяции в область с более высоким содержанием металлической фазы. Эти изменения монотонные (чем больше кислорода, тем выше удельное сопротивление композитов и тем в большей степени смещается порог перколяции в сторону с большим содержанием металлической фазы). Так при напылении композитов Сох(АІ20п)шо-х в чистом аргоне электрический порог перколяции соответствует 60 ат.% Со, при Роху =3,2 10 5 Торр порог смещается до 63 ат.% Со, а при Р0ху = 3,5 10 5 Торр положение порога перколяции достигает 72 ат.% (рис.4.10 в). Полученный результат объясняется тем, что введение дополнительного кислорода приводит не только к формированию стехиометричной оксидной матрицы, но и к окислению металлических гранул, причем, чем больше кислорода вводится в композит, тем в большей мере происходит их окисление. Следовательно, происходит не только уменьшение плотности локализованных состояний в матрице (что ведет к росту сопротивления), но и к увеличению ширины диэлектрической прослойки между гранулами (что требует большей концентрации металла для достижения порога перколяции) [112].
Величина отрицательного магнитосопротивления меняется при изменении количества кислорода и это изменение аналогично изменениям, которые наблюдались в нанокомпозитах со сложными металлическими фазами ((Co41Fe39B2o)x(SiOn)ioo-x и (Co4iFe39B2o)x(Al20n)ioo-x [89]). Существует некое оптимальное давление кислорода в камере (в данном случае Р0ху =3,2-10" 5 Торр) при котором величина ОМС максимальна - при меньшем или большем давлении магнитосопротивление меньше. Увеличение значений ОМС при добавлении кислорода связано со снижением числа локализованных состояний в диэлектрике и, соответственно, уменьшением доли прыжковой проводимости в общей, суммарной, проводимости композитов. При этом, доля спин-зависимой туннельной проводимости, зависящей от внешнего магнитного поля и определяющей ОМС, возрастает, что ведет к росту величины ОМС [95]. При дальнейшем увеличении кислорода значение отрицательного магнитосопротивления начинает уменьшаться, поскольку диэлектрический барьер между гранулами становиться толще из-за наличия оксида кобальта. Также при увеличении парциального давления кислорода происходит смещение порога перколяции, определяемого по величине ОМС, в область составов богатую кобальтом, что в полной мере коррелирует со смещением электрического порога (рис.4.10).
Таким образом, как величина удельного электросопротивления, так и величина отрицательного магнитосопротивления композитов оказываются чрезвычайно чувствительными к кислороду. Вместе с тем значение положительного магнитосопротивления практически не изменилось при введении кислорода в камеру и изменении атмосферы с чистого аргона на смесь Аг + 02 с давлением Роху = 3,2-10"5 Торр (рис.4.10 б). Это означает, что причина возникновения ПМС не связана с наличием или отсутствием кислорода в композите. Исследование влияния нагрева на положительное магнитосопротивление композитов подтвердило сделанный вывод.
Отсутствие зависимости величины ПМС от взаимной ориентации напряженности электрического поля и тока (рис.4.9) означает, что в основе эффекта лежит явление спин-зависимого туннелирования электронов между гранулами, которое является независимым от этого фактора. В соответствии с моделью Slonczewski вероятность туннелирования электронов между двумя ферромагнитными электродами максимальна при сонаправленной ориентации их магнитных моментов. Данная модель в полной мере применима и для наногранулированного композита, в котором металлические наногранулы являются ферромагнитными и поэтому весь композит можно рассматривать как совокупность огромного количества туннельных переходов, проводимость которых зависит от ориентации магнитных моментов соседних гранул. Наличие в достаточно широком интервале составов положительного магнитосопротивления означает существование некоего механизма, который, несмотря на увеличение макроскопической намагниченности композита в области малых полей (0 -600 Э, рис.4.8 б, г), в локальном окружении гранулы, участвующей в электропереносе, приводит к возрастанию степени магнитной разупорядоченности, что увеличивает туннельное сопротивление (рис.4.8 а, в).
Одной из причин увеличения локальной разупорядоченности магнитных моментов в области малых магнитных полей может быть наличие на поверхности гранул оксида кобальта, являющегося антиферромагнетиком с температурой Нееля 291 К [113]. Для проверки данного предположения было проведены сравнительное исследование магнитосопротивления нанокомпозита Со58(А12Оп)42 при температурах 295 К и 415 К (вторая температура значительно превышает температуру Нееля оксида кобальта, находящегося в массивном состоянии).
![Электрические и магнитные свойства многослойных наноструктур (CO#45#1Fe#45#1Zr#310#1/[А]-Si:H)#3n#1 и (Co#345#1Fe#345#1Zr#310#1)#335#1(Al#32#1O#3m#1)#365#1/[А]-Si:H)#31n#1](/i/i/4447/279640.png "Электрические и магнитные свойства многослойных наноструктур (CO#45#1Fe#45#1Zr#310#1/[А]-Si:H)#3n#1 и (Co#345#1Fe#345#1Zr#310#1)#335#1(Al#32#1O#3m#1)#365#1/[А]-Si:H)#31n#1 Королев Константин Геннадьевич")
