Синтез объемных кристаллов и тонких пленок ферромагнетика MnSb
Аннотация
Высокотемпературные ферромагнетики широко используются в практике. На их основе создаются магнитная память компьютеров и различные виды сенсоров магнитного поля. Поэтому большой интерес как с практической, так и фундаментальной сторон представляли объемные слитки и тонкопленочные образцы ферромагнетика антимонида марганца (MnSb), обладающие высокой температурой Кюри. Антимонид марганца плавится инконгруентно с разложением 2MnSb → Mn2Sb + Sb и имеет широкую область гомогенности. Для него характерен магнитоструктурный переход из гексагональной в тетрагональную структуру a – b. Пленки антимонида марганца получают в гибридных структурах методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Толщина пленок не превышает десятки нанометров. Не смотря на их высокую чувствительность к магнитному полю, малая толщина препятствует использованию этих пленок как сенсоров магнитного поля. Целью работы был синтез плотных объемных слитков кристаллов антимонида марганца и пленок толщиной ~ 400 нм на ситалловых и кремниевых подложках.
Вакуумно-ампульным методом синтезированы кристаллы MnSb, которые были идентифицированы с помощью рентгенофазового, дифференциально-термического и микроструктурного анализов. Результаты исследований объемных образцов указывали на присутствие кроме фазы MnSb незначительного количества сурьмы. Согласно термограмме дифференциально-термического анализа сплава MnSb наблюдался малый по величине эндотермический эффект при 572 °С, соответствующий плавлению эвтектики со стороны сурьмы в системе Mn-Sb.
Такой состав, согласно литературным данным, гарантировал получение антимонида марганца с максимальной температура Кюри. Исследование магнитных свойств показали, что интезированные кристаллы MnSb являлись мягким ферромагнетиком с температурой Кюри ~ 587 K. Тонкие пленки MnSb были получены оригинальным методом, используя раздельное последовательное напыление в высоком вакууме металлов Mn и Sb с их последующим отжигом. Для оптимизации процесса получения пленок стехиометрического состава был выполнен расчет зависимостей толщины пленок металлов от параметров процесса напыления.
Установлен температурный интервал отжига, при котором происходит взаимодействие металлов с образованием ферромагнитных пленок MnSb, проведена их идентификация, измерены электрические и магнитные свойства
Скачивания
Литература
Ugai Ya. A. Obshchaya i neorganicheskaya khimiya [General and inorganic chemistry]. Moscow: Vysshaya shkola Publ., 5th ed.; 2007. 526 p.
Kainzbauer P., Richter K.W., Ipser H. Experimental investigation of the binary Mn-Sb phase diagram. Journal of Phase Equilibria and Diffusion. 2016;37(4): 459–468. https://doi.org/10.1007/s11669-016-0470-2
Halla H., Nowotny H., X-ray Investigation in the system manganese-antimony. Zeitschrift für Physikalische Chemie. 1936;34: 141–144. https://doi.org/10.1515/zpch-1936-3409
Binary alloy phase diagrams. Okamoto H., Schlesinger M. E.; Mueller E. M. (eds.). ASM International, vol. 3: 2016. p. 2598. https://doi.org/10.31399/asm.hb.v03.9781627081634
Yamashita T., Takizawa H., Sasaki T., Uheda K., Endo T. Mn3Sb: A new L12-type intermetallic compound synthesized under high-pressure. Journal of Alloys and Compounds. 2016;348(1-2): 220–223. https://doi.org/10.1016/S0925-8388(02)00834-4
Marenkin S. F., Kochura A. V., Izotov A. D., Vasil’ev M. G. Manganese pnictides MnP, MnAs, and MnSb are ferromagnetic semimetals: preparation, structure, and properties. Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2018;63(14): 1753–1763. https://doi.org/10.1134/S0036023618140036
Han G. C., Ong C. K., Liew T. Y. F. Magnetic and magneto-optical properties of MnSb films on various substrates. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 1999;192(2): 233–237. https://doi.org/10.1016/S0304-8853(98)00545-9
Teramoto I., Van Run A. M. J. G. The existence region and the magnetic and electrical properties of MnSb. Journal of Physics and Chemistry of Solids. 1968;29: 347–352. https://doi.org/10.1016/0022-3697(68)90080-2
Chen T., Stitius W., Allen J. W., Steward G. R. Magnetic and electric properties of MnSb. AIP Conference Proceedings. 1976;29: 532–535. https://doi.org/10.1063/1.30431
Lyakisheva N. P. Diagrammy sostoyaniya dvoinykh metallicheskikh system [State diagrams of binary metal systems]: Handbook: vol. 3. Moscow: Mashinostroenie Publ.; 2001. 872 p.
Grazhdankina N. P., Medvedeva I. V., Pasheev A. V., Bersenev Yu. S. Magnetic properties of alloys MnSb and Mn1.11Sb after subjection to high pressures and temperatures. Journal of Experimental and Theoretical Physics. 1981;54(3): 564–567. Available at: http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_054_03_0564.pdf
Zhang H., Kushvaha S.S., Chen S., Gao X., Wang S. Synthesis and magnetic properties of MnSb nanoparticles on Si-based substrates. Applied Physics Letters. 2007; 90(20): 202503. https://doi.org/10.1063/1.2737908
Marenkin S. F., Izotov A. D., Fedorchenko I. V., Novotortsev V. M. Manufacture of magnetic granular structures in semiconductor-ferromagnet systems. Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2015;60(3): 295–300. https://doi.org/10.1134/S0036023615030146
Dmitriev A. I., Talantsev A. D., Koplak O. V., Morgunov R. B. Magnetic fluctuations sorted by magnetic field in MnSb clusters embedded in GaMnSb thin films. Journal of Applied Physics. 2016;119(7): 073905. https://doi.org/10.1063/1.4942005
Hanna T., Yoshida D., Munekata H. Preparation characterization of MnSb–GaAs spin LED. Journal of Crystal Growth. 2011;323(1): 383–386. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2010.11.146
Moya X., Kar-Narayan S., Mathur N. Caloric materials near ferroic phase transitions. Journal of Nature Materials. 2014;13(5): 439–450. https://doi.org/10.1038/nmat3951
Burrows C., Dobbie A., Myronov M., Hase T., Wilkins S.,Walker M. Heteroepitaxial growth of ferromagnetic MnSb(0001) films on Ge/Si(111) virtual substrates. Crystal Growth Design. 2013;13(11): 4923-4929. https://doi.org/10.1021/cg4011136
Mousley P. J., Burrows C. W., Ashwin M. J., Takahasi M., Sasaki T., Bell G. R. In situ X-ray diffraction of GaAs/MnSb/Ga(In)As heterostructures. Physica Status Solidi. 2017;254(2): 1600503. https://doi.org/10.1002/pssb.201600503
Matsui T., Ando E., Morii K., Nakayama Y. Development of (001) texture of MnSb in thin films prepared by interdiffusion of Mn/Sb multilayers. Materials Science and Engineering. 1994; B(27): 109– 115. https://doi.org/10.1016/0921-5107(94)90131-7
Dai R., Chen N., Zhang X. W., Peng C. Net-like ferromagnetic MnSb film deposited on porous silicon substrates. Journal of Crystal Growth. 2007;299(1): 142–145. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2006.11.132
Kushvaha S. S., Zhang H. L., Yan Z, Wee A. T. S., Wang X. Growth of self-assembled Mn, Sb and MnSb nanostructures on highly oriented pyrolytic graphite. Thin Solid Films. 2012;520(23): 69096915. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2012.07.099
Marenkin S. F., Ril A. I., Rabinovich O., Fedorchenko I., Didenko S. MnSb ferromagentic films synthesized by vacuum thermal evaporation. Journal of Physics: Conference Series. 2020;1451: 012022. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1451/1/012022
Nesmeyanov A. N. Davlenie para khimicheskikh elementov [Vapor pressure of chemical elements] Moscow: AN SSSR Publ.; 1961. 396 p.
Copyright (c) 2021 Конденсированные среды и межфазные границы
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
