Оптические свойства и электронные характеристики сплавов Гейслера и полуметаллических ферромагнетиков на основе переходных d-металлов

Одной из актуальных проблем физики твердого тела является проблема взаимосвязи электронной структуры и магнитного состояния вещества. Успешное применение методов зонной теории для вычисления энергетического спектра ферромагнитных металлов и сплавов позволяет подойти к рассмотрению природы магнитного взаимодействия и его эволюции на микроскопическом уровне.

Большой интерес исследователей в связи с этой проблемой вызывают сплавы Гейслера — магнитные интерметаллические соединения на основе переходных «¿—металлов. Они определяются общей формулой Х2Уг или ХУг, где Х-медь или (¿—металл, У-обычно Мп, г-элемент Ш-У группы Периодической системы, и имеют кристаллическую структуру соответственно Ь2а или С1ь. Исследования нейтронной дифракции и магнитных свойств [1−3] показали, что сплавы Гейслера имеют локализованный на атоме марганца магнитный момент (3 — 3—4) Их магнитное состояние изменяется от антиферромагнитного в СиМпЗЬ (ТИ=55 К), Рс12Мп1п (Ти-142 К) до сильно ферромагнитного в СогИпвх с температурой Кюри 985 К.

Первопринципные зонные расчеты [4−6] дали картину электронного энергетического спектра сплавов Гейслера, согласно которой в системе спинов по направлению намагниченности сЗ-состояния атомов X и Мп формируют общую с1-зону, расположенную ниже уровня Ферми. В системе спинов против направления намагниченности (¿—зона Х-атома заполнена, а (¿—зона Мп — пустая и расположена на (1−1.5) эВ выше Ег. Отдельную группу сплавов Гейслера образуют сплавы композиции ХМпг, названные полуметаллическими ферромагнетиками (ПМФ) за особенность их электронной структуры: в системе спинов против направления намагниченности (>И уровень Ферми находится внутри полупроводниковой щели, а в системе спинов по направлению намагниченности (1″) пересекает энергетические уровни [7]. Интерес к электронной структуре ПМФ возник после экспериментального обнаружения в соединении PtMnSb гигантского магнитооптического эффекта Керра [8], что поставило его в ряд материалов, перспективных для оптоэлектроники.

Систематическое изучение электронной структуры сплавов требует систематических спектроскопических, в частности, оптических исследований, дающих информацию об электронных состояниях как вблизи уровня Ферми, так и удаленных от него на несколько электрон-вольт, и необходимых для проверки адекватности зонных расчетов. Известны лишь 2 работы, в которых проведены измерения оптической проводимости сплавов Си2МпА1, Си2Мп1п [9] и Ш. МпЗЬ, PtMnSb [10] в видимой и ближней ИК-области спектра, и которые использовались позднее для подтверждения корректности теоретического подхода к расчету зонной структуры сплавов Гейслера [4−6] и ПМФ [7].

Настоящая работа посвящена экспериментальному изучению частотной зависимости оптических характеристик сплавов Гейслера Х2Мпг и полуметаллических ферромагнетиков ХМпг в широком спектральном интервале Е= (0.07−10) эВ с целью получения информации об их энергетическом зонном спектре и параметрах носителей заряда, а также изучению влияния магнитного фазового превращения «ферромагнетик-парамагнетик» на оптические свойства и электронную структуру сплавов.

Конкретные задачи состояли в следующем;

1. Детально изучить межзонное поглощение и интерпретировать его особенности на основе имеющихся расчетов зонного спектра, плотности состояний N (2) и мнимой части диэлектрической функции е2{а>) ((«-циклическая частота световой волны).

2. Определить параметры носителей заряда — плазменную? и релаксационную у частоты и проследить за их эволюцией при изменении композиции и магнитного состояния сплавов.

3. Изучить частотную зависимость функции характеристических потерь энергии электронов -1гп (е" 1) в ПМФ для выяснения роли плазменного резонанса в формировании магнитооптического эффекта Керра.

4. Провести исследование оптических свойств сплавов Ы12МпЗп и Рс12МпЗп в условиях сверхвысокого вакуума в широком интервале температур для обнаружения изменений в оптических спектрах поглощения при фазовом превращении «ферромагнетик-парамагнетик» .

Научная новизна. В работе получены следующие новые результаты.

1. Впервые изучена частотная зависимость комплексной диэлектрической проницаемости е (<в) =ех (со)-1б2 (ю) и оптическое поглощение сплавов Гейслера Си2МпЗп, Рс12МпЗп, Ы12Мпг (Ъ=1п, Бп, ЭЬ), Со2Мпг {Ъ=А1, Са, 31, Бп, БЬ) и полуметаллических ферромагнетиков РсЗМпЗЬ, СиМпЗЬ, PtMnSn в спектральной области Е=(0.07−10) эВ. Для сплавов Си2МпА1, Ш. МпЗЬ, PtMnSb впервые изучена дисперсия 6(со) в инфракрасном диапазоне Е=(0.07−0.5) эВ.

2. Впервые изучены эффекты межзонного возбуждения электронов в сплавах Гейслера Х2Мпг (Х=Си, Со, Рс1- г=А1,1п, 31, Эп, БЬ) и полуметаллических ферромагнетиках ХМпг (Х=И1,Рс1, Р1: — г=Зп, ЗЬ). Установлено, что межзонное поглощение является доминирующим при энергиях фотона Л<�в =(0.6−8) эВ в обеих группах сплавов. Определены энергии низкочастотных межзонных возбуждений, спектральное положение основной полосы поглощения и ее структурных особенностей. Прослежена эволюция оптических спектров поглощения при вариации X и Ъ компонентов.

3. Проведен анализ частотной зависимости межзонного поглощения в сплавах Х2Мп2 (Х=Си, N1, Со, Рс1) и полуметаллических ферромагнетиках ХМпЗЬ (Х=Ы1,Рс1, Р1:) в спектральном интервале (0−7) эВ на основе имеющихся теоретических расчетов зонного спектра, плотности состояний Ы (Е) и дисперсионных кривых а’геор ((c)) и е2, геор (о)). Получены оценки ряда параметров энергетического спектра электронов этих сплавов.

4. Впервые определены плазменная? и релаксационная у частоты электронов проводимости сплавов Х2МпИ и ХМпй. Установлена корреляция между величиной О2, пропорциональной эффективной концентрации электронов проводимости Ыэф, и температурой Кюри Тс.

5. Обнаружено аномальное поведение диэлектрических функций б1(оо) и в2 (оо) в сплавах Со2Мпг (2=А1,Оа, ЗЬ) при длинах волн Х>3 мкм. Низкие значения О2, полученные из ИК-измерений, указывают на наличие псевдощели в плотности состояний N (Ег) этих сплавов, предсказанной теоретически для электронов со спином (4о [4].

6. Изучена и проанализирована частотная зависимость функции характеристических потерь энергии электронов -1т (е (а) ~1) полуметаллических ферромагнетиков ХМпг (Х=Ы1,Рс1, р-ЬЕ=ЗЬ, Бп). Отмечено качественное подобие дисперсии -1т (ъ (со) ~1) на участке спектра (0−5) эВ и низкая амплитуда первого резонасного пика (-0.09).

7. Впервые изучено влияние температуры (Т=(77−650) К) и магнитного фазового превращения «ферромагнетик-парамагнетик» на оптические свойства сплавов Ы12МпЗп и Рс12МпЗп. Обнаружены аномалии в температурном поведении оптической проводимости о (а>) при Т/Тс >1.4 для Ш-гМпЗп и Т/Тс > 2.38 для Рс12МпЗп, свидетельствующие о локальной перестройке электронной структуры сплавов в парамагнитной фазе.

Научная и практическая значимость.

Получена база данных об оптических свойствах большого класса тернарных соединений — сплавов Гейслера на основе марганца (Х2Мпг и ХМпЕ). Установленные закономерности формирования оптических спектров поглощения и их изменения при варьировании состава способствуют построению общей картины энергетического спектра электронов указанной группы сплавов.

Важное научное значение имеют результаты исследования частотной зависимости диэлектрической проницаемости £(оэ) в области межзонных возбуждений электронов. Эти данные являются надежным тестом для выбора модели зонного спектра сплава и оценки величины обменного расщепления зон 2ДЕ<�з марганца и ферромагнитного Х-атома (Ш., Со) .

Полученные оптическим методом сведения о характере изменения электронной структуры сплавов Гейслера при магнитном фазовом превращении будут полезны для дальнейших теоретических исследований физических свойств ферромагнетиков при конечных температурах, которые проводятся в рамках флуктуационной модели.

Самостоятельную практическую ценность имеют оптические характеристики 16 исследованных сплавов — показателей преломления п и поглощения к, полученные в спектральном интервале (0.1−5) эВ при комнатной температуре, а также температурные зависимости пик сплавов МгМпЗп и Рс12МпЗп, полученные в условиях сверхвысокого вакуума ~10−8 Па. Числовые значения л и к, представленные в 16 таблицах Приложения, позволяют вычислить основные спектральные характеристики сплавов (отражательную способность И., поглощательную, А и излучательную Еа способности), которые могут найти практическое применение при изготовлении оптических устройств.

Диссертация состоит из 4 глав. В первой главе описаны связь оптических свойств и электронной структуры металлов, метод измерений, объекты исследования, экспериментальные установки.

Во второй главе дается обзор литературных данных об электронной структуре, магнитных, электрических, оптических свойствах сплавов Гейслера со структурой Ъ2х. Излагаются результаты исследования их оптических свойств. Обсуждается механизм формирования оптических спектров поглощения. Устанавливается взаимосвязь между микрохарактеристиками электронов проводимости и температурой Кюри.

В третьей главе дается обзор литературных данных об электронной структуре, магнитных, электрических, оптических свойствах ПМФ со структурой С1ьПредставлены результаты исследования оптических спектров поглощения. Изучена эволюция межзонной проводимости и функции харпотерь энергии электронов -1ш (8−1) при изменении композиции сплавов. Сделана оценка ширины полупроводниковой щели в энергетическом спектре сплава Н1МпЗЬ. Устанавливается взаимосвязь между микрохарактеристиками электронов проводимости и температурой Кюри.

Четвертая глава посвящена изучению влияния температуры и фазового перехода ферромагнетик-парамагнетик на оптические свойства сплавов Гейслера Ш-гМпБп и Рс^МпЗп. Дается обзор литературных данных о температурной зависимости оптических свойств и электронной структуры ферромагнитных металлов и сплавов. Результаты экспериментальных исследований обсуждаются на основе теоретической модели [11], учитывающей влияние магнитного разупорядочения на электронную структуру.

Главы 2−4 заканчиваются краткими выводами. В конце работы дается обзор основных результатов и выводов, список публикаций по материалам диссертации и список цитируемой литературы. В приложениях приведены таблицы значений оптических постоянных пик исследованных сплавов.

Диссертационная работа выполнена в лаборатории оптики металлов в соответствии с планом научно-исследовательских работ ИФМ УрО РАН по темам 1.3.5.5 «Исследование магнитных структур и фазовых превращений в сплавах и соединениях переходных и редкоземельных металлов» (шифр «Магнетизм», № г. р. 01.91.31 780) и 1.3.11.2 «Низкотемпературные свойства особочистых переходных металлов и их сплавов с различными степенями атомного и магнитного порядков» (шифр «Гелий» № г. р.01.96.3 484) при частичной финансовой поддержке Международного научного фонда и Российского правительства (грант № ^1100).

4.3.

Заключение

.

Проведено исследование влияния температуры на оптические свойства сплабов Гейслера №.2МпЗп и Рс12МпЗп в условиях сверхвысокого вакуума в диапазоне спектра Е=(0.5−5.2) эВ в температурном интервале (77−650) К.

В области внутризонного поглощения света наблюдается увеличение интенсивности поглощения, вызванное ростом частоты релаксации электронов проводимости у при повышении температуры.

Обнаружены изменения в дисперсии межзонной оптической проводимости ст (<�в) с ростом температуры, включающим переход через температуру Кюри Тс. Аномальное поведение а (ю, Т) исследуемых объектов при Т>ТС состоит в формировании дополнительных структурных особенностей на участке спектра (3−5) эВ и сдвиге края основной полосы поглощения в высокоэнергетическую область.

Установлено, что спектральная форма кривой о не претерпевает существенного изменения в парамагнитной фазе вплоть до температур Т/Тс = 1.4 (Ш2МпЗп) и Т/Тс =2.38 (Рс12МпЗп). Таким образом, перестройка энергетического спектра электронов при магнитном разупорядочении сплавов начинается при температурах, намного превышающих температуру Кюри, и имеет локальный характер.