Рентгеновские спектры и электронная структура магнитных сплавов Гейслера и дихалькогенидов 3d металлов Яблонских, Михаил Владимирович

Введение к работе

ктуальность темы.

Одной из актуальных для физики твердого тела является проблема связи эктронной структуры и магнитного состояния вещества. Она неразрывно юана с задачей поиска новых материалов для магнитных носителей инфор-дии и разработке методов их аттестации. Интерес к исследованиям магнит-IX интерметаллических соединений на основе 3d переходных металлов резко зрос после того, как К.Бушов обнаружил гигантскую величину магнитооп-ческого эффекта Керра в PtMnSb [1], в NiMnSb (т.е. в сплавах Гейслера с исталлической структурой С1₆ ) и в МпгБЬ [2]. Это делает класс полуме-ллических соединений привлекательным для потенциальных приложений.

В рамках данной проблемы большой интерес вызывают материалы обла-ющие многообразием наблюдаемых и ожидаемых физических свойств (ко-ссальное магнитносопротивление, гигантский эффект Керра, односпиновая ерхпроводимость), каковыми являются полуметаллические ферромагнетики 1,4]. Такие системы составляют группу бинарных и тройных соединений пе-ходных d-элементов, электронная структура которых характеризуется тем, о уровень Ферми лежит в щели для парциальной плотности состояний с ,ной из проекций спина [4]. Существование такой специфической зонной руктуры было предсказано первопринципными зонными расчетами в частоти для NiMnSb [3] и PtMnSb [3,5,6], а также других полуметаллических сериалов Cr0₂ [7} CoMnSb, FeMnSb [8,9] и CrMnSb [6].

Особый интерес вызывают сплавы Гейслера [10] X2YZ и XYZ и подобные j материалы на основе антиферромагнитных 3d металлов (Y=Mn, Сг), где Со, Ni, Си, Z - Al, Ga, In, Sn, Sb. Исследования, проведенные методами іфракции нейтронов (1950-1975 гг.) [11-13], показали, что данные сплавы іладают большим локальным магнитным моментом (около 3-4 fi_B) на атоме п.

С другой стороны, прогресс техники последних десятилетий связан с ис-

пользованием материалов и исскуственно созданных систем, состоящих и; структурных фрагментов нанометровых масштабов. При этом одни фрагменты играют роль источника носителей заряда и/или модулируют движение носителей тока в другом фрагменте, играющем роль проводника. Функционирование устройств, использующих такие материалы и исскуственные системы зависит от характера связи между структурными фрагментами. Эти связи, намного слабее обычно существующих в кристаллических твердых телах из-за гораздо больших характерных расстояний между атомами, входящих в сопряженные фрагменты. Удачными объектами такого рода служат интеркалатные материалы. Слабость связей между структурными фрагментами позволяет эффективно влиять на их характеристики внешним воздействием, обеспечивая, таким образом, исключительное разнообразие свойств материалов.

Обьектами исследования данной диссертационной работы являются магнитные материалы с металлическим типом проводимости. Исследуемые материалы можно условно разделить на три группы. Первую группу составляют металлические соединения с высокой величиной локального магнитного момента (от 2.5 до 4 ц_в). К данной группе были отнесены сплавы Гейслера X₂MnY и XMnY (X=Co,Ni,Cu; Y=Al,Ga,In,Sn,Sb) и соединения Мп₂-_гСо_г8Ъ. Во второй группе представлены слоистые дихалькогениды типа M_xTiSe2, интеркалированные 3d переходным металлом М (М=Сг,Со, Мп). Они принадлежат к широкому классу интеркалатов, т.е. соединений в решётку которых обратимым образом могут быть внедрены инородные объекты - атомы, молекулы или даже фрагменты кристаллических решёток других материалов. Особый интерес представляют материалы с атомами элементов носителей большого локального магнитного момента, как находящимися в составе соединения-матрицы, так и интеркалированными в неё. Высокая чувствительность к типу и концентрации интеркаланта позволяет получать объекты с различными физическими свойствами, например, обладающие анизотропией

юводимости. Изменение степени локализации электронов может в этом слу-іе влиять на магнитный момент таких атомов и, следовательно, на характер ;аимодействия с ними носителей заряда.

Несмотря на множество теоретических исследований известно очень малое шичество экспериментальных исследований электронной структуры сплавов ійслера (СГ) и близких к ним полуметаллических материалов. Это обуслов-!но рядом сложностей, связанных как с изготовлением качественных образів так и высокими требованиями к постановке спектроскопических экспе-шентов. С другой стороны, при исследовании электронной структуры таге материалов большой интерес представляет поиском экспериментального [ектроскопического критерия полуметаллического состояния. На сегодняш-[й день известна лишь одна работа по спин-поляризованной фотоэмиссии, ісвященная данному вопросу [14].

Для магнитных материалов также представляет интерес связь величины жального магнитного момента с характеристиками фотоэлектронных (ФЭ) рентгеновских эмиссионных (РЭ) спектров. Влияние величины локального ігнитного момента на форму спектров ранее было обнаружено для фото-ектронных спектров Fe 3s, что выражается в расщеплении Fe 3s остовного ювня [15].

В данной работе представлено комплексное спектроскопическое исследо-ние фотоэлектронных и рентгеновских эмиссионных спектров 3d металлов полуметаллических ферромагнетиках.

1|ель данной работы состояла в (1) исследовании электронной структу-I сплавов Гейслера и близких к ним полуметаллических ферромагнитных ітериалов с использованием комплекса спектроскопических методик. Поми-) исследования структуры энергетических полос, ставилась задача поиска ) спектроскопического критерия полуметаллического характера электрон-ій структуры исследуемых веществ а также анализа зависимости (3) харак-

теристик фотоэлектронных (ФЭ) и рентгеновских эмиссионных (РЭ) спектров от величины локального магнитного момента.

Направления и методы решения проблемы. Для решения поставленной задачи были использованы методы ФЭ спектроскопии и РЭ спектроскопии с электронным и фотонным возбуждением. Круг указанных выше методик был расширен за счет метода исследования эффекта магнитного кругового дихроизма (МКД). На синхротронном источнике 3-го поколения¹ был поставлен уникальный эксперимент по исследованию эффекта МКД в рентгеновских эмиссионных спектрах сплавов Гейслера NiMnSb и CosMnSb. Для полуметаллических ферромагнитных материалов, такие исследования сделаны впервые в настоящей работе.

Основные положення, выносимые на защиту.

1. Обменное магнитное расщепление 2рз/2 остовного уровня 3d металлов в магнитных материалах. Величина расщепления пропорциональна величине локального магнитного момента.

1. Аномально высокое соотношение интенсивностей рентгеновских L₃, L2 эмиссионных спектров 3d металлов в полуметаллических ферромагнетиках и близких к ним материалах, по сравнению с чистыми металлами. Величина этого соотношения коррелирует с величиной локального магнитного момента.

2. Эффект магнитного кругового дихроизма в рентгеновских L эмиссионных спектрах Мп в сплавах Гейслера NiMnSb и СогМпЭЬ при пороговом кругополяризованном фотонном возбуждении.

3. Эффект реэмиссии в резонансных Ьз, І2 РЭ спектрах в сплавах Гейслера и Ьз, 1.2 РЭ слоистых дихалькогенидах Cr_aTiSe2. Причиной указанного эффекта является большое время жизни возбужденного состояния, обусловленное полуметаллическим характером энергетического спектра.

'ESRF, Гренобль, Франция

Научная новизна.

1. Обнаружен эффект обменного расщепления в рентгеновских фотоэлектронных спектрах 2р₃/2 остовного уровня в магнигкых материалах. Показано, что величина обменного расщепления расщепления пропорциональна величине локального магнитного момента соответствующего химического элемента.

2. Обнаружено существенное увеличение соотношения интенсивности
[(Ьг)/ЦЬз) в рентгеновских эмиссионных спектрах магнитных материалов по
сравнению с РЭ спектрами соответствующих чистых элементов, величина ко
торого коррелирует с атомным магнитным моментом.

3. В сплавах Гейслера на основе Мп и слоистых дихалькогенидах Cr^TiSea
эбнаружен эффект сильной реэмиссии в Ьз эмиссионных спектрах 3d элемен
тов. Показано, что такое проявление указаного эффекта связано с увеличени-
эм временя жизни возбужденного электронного состояния. Установлено, что
существенное увеличение реэмиссионной полосы связано с наличием полупро
водниковой щели в плотности состояний с одной из проекций спина.

4. Впервые обнаружен эффект магнитного дихроизма в рентгеновских
резонансных L₃,L₂ эмиссионных спектрах Мп в сплавах Гейслера NiMnSb и
СогМпЭЬ, указывающий на сильное обменное расщепление Мп 3d состояний
с различной проекцией спина. На основе предложенной модели развита фено
менологическая теория резонансного рассеяния поляризованного рентгенов
ского излучения, качественно описывающая эффекты магнитного дихроизма
в спектрах рентгеновского поглощения и эмиссии.

5. В слоистых дихалькогенидах обнаружено сильное влияние типа хими
ческой связи ионов Со и Сг с матрицей на локализацию магнитного момента
ионов, что отражается в форме фотоэлектронных и рентгеновских эмиссион
ных спектров.

Практическая значимость

1. Результаты рентгеноспектральных исследований, данные об особенностя: химической связи и структуры валентной полосы, могут быть использовані при оценке корректности зонных расчетов и моделей электронной структуры

4. Экспериментально полученные зависимости рентгеновских спектров о^г величины локального магнитного момента позволяют качественно оценить ве личину локального магнитного момента в 3d других соединениях, по величині обменного расщепления и относительной интенсивности 1(Ьг)/1(Ьз) эмиссион ного дублета.

5. Из исследований рентгеновских эмиссионных спектров 3d металлов і сплавах Гейслера получен качественный экспериментальный критерий полу металлического состояния. Разработанная методика качественной оценки по луметаллического состояния и величины локального магнитного момента і 3d металлах в магнитных соединениях успешно апробирована на слоисты: дихалькогенидах MjTiSes, интеркалированных 3d переходным металлом А-(М=Сг,Со).

Достоверность.

Достоверность полученных экспериментальных результатов обусловлена ис пользованием современных методов исследования, корректной обработки] экспериментальных данных и их воспроизводимостью.

Личный вклад автора

Автор принимал активное участие на всех этапах проведения данного ис следования от предварительной подготовки, до проведения эксперимента і обсуждения полученных результатов. Автору принадлежит главный вкла, в проведение измерений рентгеновских эмиссионных спектров электронноп возбуждения (лаборатория рентгеновской спектроскопии, ИФМ УрО РАН) к спектрометре РСМ-500. Также, автор самостоятельно получил часть резуль

Ltob по фотоэмиссионным спектрам (Отдел физики, Оснабрюкский Универ-ггет , Германия). Автор непосредственно участвовал в измерениях эффекта ІКД в сплавах Гейслера выполненных во время командировки на синхротрон 3RF (Гренобль, Франция).

Автор осуществлял обработку полученных экспериментальных данных и эинимал активное участие в интерпретации экспериментов и разработке те-эетических моделей, в том числе в разработке модели МКД эффекта для гнтгеновских эмиссионных спектров в полумегаллических соединениях.

Работа содержит 179 листов машинописного текста, 61 рисунок, 16 таблиц, шючая список литературы на 18 страницах, содержащий 185 наименований.