Структура, намагниченность и низкотемпературный импедансный отклик поликристаллов InSe, интеркалированных никелем
Разработана твердофазная механохимическая технология получения поликристаллов InSе, интеркалированных Ni до 1,25 ат. %. Рентгеноструктурный и рентгенофазный анализы полученных образцов NixInSe подтвердили их гомогенность и показали немонотонную зависимость изменения параметра решетки InSe вдоль оси...
Gespeichert in:
| Datum: | 2012 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України
2012
|
| Schriftenreihe: | Физика низких температур |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/116833 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Структура, намагниченность и низкотемпературный импедансный отклик поликристаллов InSe, интеркалированных никелем / И.М. Стахира, Н.К. Товстюк, В.Л. Фоменко, И.И. Григорчак, А.К. Борысюк, Б.А. Середюк // Физика низких температур. — 2012. — Т. 38, № 1. — С. 69-75. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-116833 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1168332017-05-17T03:03:06Z Структура, намагниченность и низкотемпературный импедансный отклик поликристаллов InSe, интеркалированных никелем Стахира, И.М. Товстюк, Н.К. Фоменко, В.Л. Григорчак, И.И. Борысюк, А.К. Середюк, Б.А. Низкотемпеpатуpный магнетизм Разработана твердофазная механохимическая технология получения поликристаллов InSе, интеркалированных Ni до 1,25 ат. %. Рентгеноструктурный и рентгенофазный анализы полученных образцов NixInSe подтвердили их гомогенность и показали немонотонную зависимость изменения параметра решетки InSe вдоль оси, перпендикулярной плоскости слоев, от концентрации внедренного Ni. Анализ низкотемпературного (77 К) импедансного отклика в частотном интервале 10⁻³–10⁶ Гц обнаружил хорошую корреляцию характера изменений расстояния между слоями и зонной проводимости с ростом концентрации гостевого никеля и их несовпадение с Ni-концентрационной зависимостью удельной намагниченности, которая, в частности, претерпевает аномальное увеличение при х ~ 1. Причина такого поведения объяснена в рамках построенной теоретической модели, которая одновременно вскрыла механизм увеличения вклада в проводимость концентрации свободных электронов — гибридизацию электронных орбиталей гостевого никеля и слоев матрицы. Розроблено твердофазну механохімічну технологію отримання поликристалів InSе, интеркальованих Ni до 1,25 ат.%. Рентгеноструктурний і рентгенофазний аналізи отриманих зразків NixInSe підтвердили їх гомогенність і показали немонотонну залежність зміни параметра ґратки InSe уздовж осі, перпен- дикулярної до площини шарів, від концентрації впровадженого Ni. Аналіз низькотемпературного (77 К) відгуку імпедансу в частотному інтервалі 10⁻³–10⁶ Гц виявив хорошу кореляцію характеру змін відстані між шарами і зонної провідності з ростом концентрації гостьового нікелю та їх неспівпадання з Ni-концентраційною залежністю питомої намагніченості, яка, зокрема, зазнає аномальне збільшення при х ~ 1. Причину такої поведінки пояснено в рамках побудованої теоретичної моделі, яка одночасно розкрила механізм збільшення вкладу в провідність концентрації вільних електронів — гібридизацію електронних орбіталей гостьового нікелю і шарів матриці A solid-phase mechanochemical technology of producing of InSе polycrystals intercalated by Ni up to 1.25 at. % has been elaborated. The x-ray and phase analysis of the NixInSe samples produced confirms their homogeneity and demonstrates a nonmonotonic Ni-content dependence of lattice constant along the axis normal to the layers. The analysis of the low-temperature (77 K) impedance response in the frequency region 10⁻³–10⁶ Hz shows a good correlation between the charges in layer distance and band conductivity with increasing Ni concentration. However the Ni concentration dependence of specific magnetization does not coincide with them because it demonstrates an irregular increase at х ~ 1. The reason of such behavior is explained by the proposed theoretical model, which at the same moment showed the mechanism of increasing the role of free carriers concentration to conductivity by the hybridization of electron orbitals of guest nickel and lattice. 2012 Article Структура, намагниченность и низкотемпературный импедансный отклик поликристаллов InSe, интеркалированных никелем / И.М. Стахира, Н.К. Товстюк, В.Л. Фоменко, И.И. Григорчак, А.К. Борысюк, Б.А. Середюк // Физика низких температур. — 2012. — Т. 38, № 1. — С. 69-75. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 0132-6414 PACS: 61.43.Dq, 84.37.+q, 75.50.Pp http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/116833 ru Физика низких температур Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Низкотемпеpатуpный магнетизм Низкотемпеpатуpный магнетизм |
| spellingShingle |
Низкотемпеpатуpный магнетизм Низкотемпеpатуpный магнетизм Стахира, И.М. Товстюк, Н.К. Фоменко, В.Л. Григорчак, И.И. Борысюк, А.К. Середюк, Б.А. Структура, намагниченность и низкотемпературный импедансный отклик поликристаллов InSe, интеркалированных никелем Физика низких температур |
| description |
Разработана твердофазная механохимическая технология получения поликристаллов InSе, интеркалированных Ni до 1,25 ат. %. Рентгеноструктурный и рентгенофазный анализы полученных образцов
NixInSe подтвердили их гомогенность и показали немонотонную зависимость изменения параметра решетки InSe вдоль оси, перпендикулярной плоскости слоев, от концентрации внедренного Ni. Анализ
низкотемпературного (77 К) импедансного отклика в частотном интервале 10⁻³–10⁶ Гц обнаружил хорошую корреляцию характера изменений расстояния между слоями и зонной проводимости с ростом концентрации гостевого никеля и их несовпадение с Ni-концентрационной зависимостью удельной намагниченности, которая, в частности, претерпевает аномальное увеличение при х ~ 1. Причина такого
поведения объяснена в рамках построенной теоретической модели, которая одновременно вскрыла механизм увеличения вклада в проводимость концентрации свободных электронов — гибридизацию электронных орбиталей гостевого никеля и слоев матрицы. |
| format |
Article |
| author |
Стахира, И.М. Товстюк, Н.К. Фоменко, В.Л. Григорчак, И.И. Борысюк, А.К. Середюк, Б.А. |
| author_facet |
Стахира, И.М. Товстюк, Н.К. Фоменко, В.Л. Григорчак, И.И. Борысюк, А.К. Середюк, Б.А. |
| author_sort |
Стахира, И.М. |
| title |
Структура, намагниченность и низкотемпературный импедансный отклик поликристаллов InSe, интеркалированных никелем |
| title_short |
Структура, намагниченность и низкотемпературный импедансный отклик поликристаллов InSe, интеркалированных никелем |
| title_full |
Структура, намагниченность и низкотемпературный импедансный отклик поликристаллов InSe, интеркалированных никелем |
| title_fullStr |
Структура, намагниченность и низкотемпературный импедансный отклик поликристаллов InSe, интеркалированных никелем |
| title_full_unstemmed |
Структура, намагниченность и низкотемпературный импедансный отклик поликристаллов InSe, интеркалированных никелем |
| title_sort |
структура, намагниченность и низкотемпературный импедансный отклик поликристаллов inse, интеркалированных никелем |
| publisher |
Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України |
| publishDate |
2012 |
| topic_facet |
Низкотемпеpатуpный магнетизм |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/116833 |
| citation_txt |
Структура, намагниченность и низкотемпературный импедансный отклик поликристаллов InSe, интеркалированных никелем / И.М. Стахира, Н.К. Товстюк, В.Л. Фоменко, И.И. Григорчак, А.К. Борысюк, Б.А. Середюк // Физика низких температур. — 2012. — Т. 38, № 1. — С. 69-75. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
| series |
Физика низких температур |
| work_keys_str_mv |
AT stahiraim strukturanamagničennostʹinizkotemperaturnyjimpedansnyjotklikpolikristallovinseinterkalirovannyhnikelem AT tovstûknk strukturanamagničennostʹinizkotemperaturnyjimpedansnyjotklikpolikristallovinseinterkalirovannyhnikelem AT fomenkovl strukturanamagničennostʹinizkotemperaturnyjimpedansnyjotklikpolikristallovinseinterkalirovannyhnikelem AT grigorčakii strukturanamagničennostʹinizkotemperaturnyjimpedansnyjotklikpolikristallovinseinterkalirovannyhnikelem AT borysûkak strukturanamagničennostʹinizkotemperaturnyjimpedansnyjotklikpolikristallovinseinterkalirovannyhnikelem AT seredûkba strukturanamagničennostʹinizkotemperaturnyjimpedansnyjotklikpolikristallovinseinterkalirovannyhnikelem |
| first_indexed |
2025-07-08T11:06:55Z |
| last_indexed |
2025-07-08T11:06:55Z |
| _version_ |
1837076648086732800 |
| fulltext |
© И.М. Стахира, Н.К. Товстюк, В.Л. Фоменко, И.И. Григорчак, А.К. Борысюк, Б.А. Середюк, 2012
Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2012, т. 38, № 1, c. 69–75
Структура, намагниченность и низкотемпературный
импедансный отклик поликристаллов InSe,
интеркалированных никелем
И.М. Стахира, Н.К. Товстюк, В.Л. Фоменко
Львовский национальный университет им. Ивана Франка, факультет электроники,
ул. Драгоманова, 50, г. Львов, 79005, Украина
E-mail: tovstyuk@electronics.wups.lviv.ua; Ntovstyuk@gmail.com
И.И. Григорчак, А.К. Борысюк
Национальный университет «Львовськая политехника», Институт прикладной математики и фундамен-
тальных наук, ул. Устияновича, 5, г. Львов, 79013, Украина
Б.А. Середюк
Институт сухопутных войськ им. гетьмана П. Сагайдачного, ул. Гвардейская, 32, г. Львов, 79012, Украина
Статья поступила в редакцию 5 апреля 2011 г.
Разработана твердофазная механохимическая технология получения поликристаллов InSе, интеркали-
рованных Ni до 1,25 ат. %. Рентгеноструктурный и рентгенофазный анализы полученных образцов
NixInSe подтвердили их гомогенность и показали немонотонную зависимость изменения параметра ре-
шетки InSe вдоль оси, перпендикулярной плоскости слоев, от концентрации внедренного Ni. Анализ
низкотемпературного (77 К) импедансного отклика в частотном интервале 10–3–106 Гц обнаружил хоро-
шую корреляцию характера изменений расстояния между слоями и зонной проводимости с ростом кон-
центрации гостевого никеля и их несовпадение с Ni-концентрационной зависимостью удельной намаг-
ниченности, которая, в частности, претерпевает аномальное увеличение при х ~ 1. Причина такого
поведения объяснена в рамках построенной теоретической модели, которая одновременно вскрыла меха-
низм увеличения вклада в проводимость концентрации свободных электронов — гибридизацию элек-
тронных орбиталей гостевого никеля и слоев матрицы.
Розроблено твердофазну механохімічну технологію отримання поликристалів InSе, интеркальованих
Ni до 1,25 ат.%. Рентгеноструктурний і рентгенофазний аналізи отриманих зразків NixInSe підтвердили їх
гомогенність і показали немонотонну залежність зміни параметра ґратки InSe уздовж осі, перпен-
дикулярної до площини шарів, від концентрації впровадженого Ni. Аналіз низькотемпературного
(77 К) відгуку імпедансу в частотному інтервалі 10–3–106 Гц виявив хорошу кореляцію характеру змін
відстані між шарами і зонної провідності з ростом концентрації гостьового нікелю та їх неспівпадання
з Ni-концентраційною залежністю питомої намагніченості, яка, зокрема, зазнає аномальне збільшення
при х ~ 1. Причину такої поведінки пояснено в рамках побудованої теоретичної моделі, яка одночасно
розкрила механізм збільшення вкладу в провідність концентрації вільних електронів — гібридизацію
електронних орбіталей гостьового нікелю і шарів матриці.
PACS: 61.43.Dq Аморфные полупроводники, металлы и сплавы;
84.37.+q Измерения электрических величин (включая напряжение, ток, сопротивление, емкость,
индуктивность, импеданс и проводимость и т.д.);
75.50.Pp Магнитные полупроводники.
Ключевые слова: структура, намагниченность, импеданс, плотность состояний.
И.М. Стахира, Н.К. Товстюк, В.Л. Фоменко, И.И. Григорчак, А.К. Борысюк, Б.А. Середюк
70 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2012, т. 38, № 1
Введение
Интерес к системам внедрения сегодня выше, чем
когда-либо, и не только в связи с еще неполным их
пониманием. В последнее время интенсивно изучается
интеркаляция материалов-«хозяев» сложного молеку-
лярного строения (не менее чем четыре атомные плос-
кости в пакете) в целом и их полупроводниковых фаз
магнитоактивными компонентами в частности. Это в
первую очередь связано с тем, что структуры с пооче-
редными полупроводниковыми и магнитоактивными
нанопрослойками чрезвычайно важны для спинтрони-
ки [1], поскольку дают принципиальную возможность
оптически или электрически управлять их магнитными
свойствами.
В более общем контексте, интеркаляция как про-
цесс «конструирования» требуемых видов систем «хо-
зяин–гость», кроме простого расширения круга новых
соединений, может приводить к обогащению исходных
кристаллов уникальными свойствами, предопреде-
ляющими новые сферы их практического применения.
В области нанотехнологий определенные интеркаля-
ционные процессы могут сыграть роль мощного анти-
коагуляционного инструментария, поскольку в интер-
калятах пакеты ионно-ковалентных атомных слоев
чередуются со слоями гостевого компонента, блокируя
агломерацию последних в направлении кристаллогра-
фической оси с. Поэтому фактически интерес к нано-
структурам с поочередными полупроводниковыми и
магнитоактивными нанослоями значительно шире —
например, это и спиновые конденсаторы, и магнито-
электреты. Благодаря незначительной фазовой и груп-
повой скорости, легкости возбуждения и приема, низ-
ким потерям при распространении спиновые волны,
реализуемые в таких системах, могут найти примене-
ние в уникальных устройствах анализа и обработки
сигналов. В более дальней перспективе находится
квантовая когерентная спинтроника.
Таким образом, цель исследований полупроводнико-
вых наноструктур с магнитоактивными прослойками —
обнаружить интересные явления и эффекты, а также
накопить знания, необходимые для более полного их
понимания и возможности эффективного практическо-
го использования.
Методика эксперимента
Интеркалирование поликристаллического InSe про-
водили термически-экспозиционным методом [2], в те-
чение которого содержание (х) термодиффундированно-
го никеля в ван-дер-ваальсовые щели селенида индия
контролированно варьировали от 0,25 до 1,25 ат. %. Для
этого в порошок синтезированного монокристалла
InSe, перетертого до зернистости ~15 мкм, добавляли
порошковый никель чистотой 99,99% и зернистостью
~5мкм. Полученную смесь прессовали в таблетки и
отжигали в вакуумированных кварцевых ампулах при
температуре 500 °С на протяжении 100 ч. Температура
отжига выбрана ниже температуры синтеза селенида
индия для того, чтобы избежать реакций замещения.
Для полной гомогенизации таблетированный материал
повторно перетирали, прессовали и отжигали еще на
протяжении 70 ч.
Рентгеноструктурный анализ полученных интеркаля-
тов NixInSe проводился на рентгеновском дифрактомет-
ре ДРОН-4-07 (Cu Kα-излучение, шаг 0,05°, диапазон
углов 8–135°). Структурные характеристики рассчита-
ны по программе «Crysfire» с уточнением параметров
по методу наименьших квадратов.
Импедансные измерения выполнены в диапазоне
частот 10–2–105 Гц с помощью измерительного ком-
плекса «AUTOLAB» фирмы «ECO CHEMIE» (Голлан-
дия), укомплектованного компьютерными программами
FRA-2 и GPES. Амплитуда синусоидального напряже-
ния, подаваемого на объект, не превышала 5 мВ. Час-
тотные зависимости комплексного импеданса Z анали-
зировались графоаналитическим методом в среде
программного пакета ZView 2.3 (Scribner Associates).
Ошибки аппроксимации не превышали 4%.
Результаты и их обсуждение
На рентгенодифрактограммах селенида индия после
интеркалирования никелем наблюдаются интенсивные
дифракционные отражения от плоскостей (002), (004),
(006), (008), (0010), (0012), (0014), которые принадле-
жат InSe. Кроме этого, расчет дифрактограмм обнару-
живает появление ряда добавочных дифракционных
линий. Сопоставление добавочного спектра с эталонами
рентгенограмм фонда JCPDS (выпуски 1–22) не позво-
ляет отнести добавочные линии ни к одной из систем
фаз In–Se–Ni, содержащихся в фонде. Отсутствие диф-
ракционных максимумов, соответствующих металличе-
скому никелю, отображает приоритетное влияние одно-
го из основных структурообразующих факторов —
деформационных полей, обусловленных, в частности,
несогласованностью постоянной решетки матрицы и
слоя интеркалянта. Это способствует образованию дис-
кретных наноостровков гостевого компонента, их ре-
продукции с образованием фрактальных сеток и т.д.
На рис. 1 приведена зависимость параметра решетки с
от концентрации гостевого никеля. Как видно, она явля-
ется немонотонной: в интервале 0 < x ≤ 0,75 ат. % и при
х = 1,25 ат. % расстояние между слоями уменьшается
по сравнению с исходной матрицей; при х = 1,0 ат. %
этот параметр увеличивается. Уменьшение параметра с
с ростом степени интеркаляции 3d-металлами наблю-
далось и для дихалькогенидов титана [3–5]. В цитиро-
ванных источниках этот эффект объясняется образова-
нием ковалентных квазимолекул Ме(3d)–Ті–Ме(3d)–,
что приводит к локализации носителей тока в форме
Структура, намагниченность и низкотемпературный импедансный отклик поликристаллов InSe
Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2012, т. 38, № 1 71
поляронов малого радиуса [3]. Отличительной особенно-
стью результатов, приведенных на рис. 1, является нели-
нейный рост с, который, в частности, при х = 1,0 ат. %
соответствует расширению кристаллической решетки
исходного кристалла. Другими словами, для интерка-
лята Ni1,0InSe наблюдаем распад ковалентных квази-
молекул. Причина этого может быть связана с измене-
нием положения уровня Ферми, что приводит к
дегибридизации Ni–In–In–Ni-орбиталей и, как следст-
вие, заполнению электронами уровней атома-
интеркалята и рост его отталкивающего действия на
слои. Очевидно, что «стягивающий» и «расталкиваю-
щий» кристаллическую решетку эффекты являются
конкурентными, и именно они в целом определяют ха-
рактер зависимости с(х). В этом ракурсе последующее
изменение расстояния между слоями при х = 1,25 ат. %,
вероятнее всего, обусловлено перераспределением
энергетической топологии уровней в окрестности
уровня Ферми и переформатированием системы ква-
зимолекулярных связей.
Такие процессы непременно будут изменять кинети-
ку токопрохождения, для выяснения особенностей ко-
торой (с точки зрения поликристалличности образцов)
была применена низкотемпературная (Т = 77 К) импе-
дансная спектроскопия. Именно она дает возможность
разделить вклад междузеренных границ в общее сопро-
тивление и получить, таким образом, информацию о
свойствах объема частичек исследуемого объекта.
На рис. 2 построены диаграммы Найквиста — зави-
симости мнимой части комплексного импеданса от
его реальной составляющей для различных значений
концентрации гостевого никеля. В целом они имеют
синтетический двудуговой характер. При этом для
х = 0,25 и 1,25 ат. % дуги незамкнутые как в высоко-
частотной (левой), так и низкочастотной (правой) об-
ластях годографа, расширенное сканирование которых
не обеспечивали технические возможности измери-
тельного комплекса. Это дает повод в качестве импе-
дансной модели выбрать электрическую схему, пока-
занную на рис. 3. Здесь элемент постоянной фазы СРЕ
отображает распределенность («деформированность»)
Рис. 1. Зависимость значения постоянной решетки с (перпен-
дикулярно слоям) NixInSe от концентрации внедренного ни-
келя. Точность определения параметра 0,0006 Å.
0 0,5 1,0 1,524,940
24,945
24,950
24,955
24,960
24,965
Концентрация гостевого , ат. %Ni
с
, Å
Рис. 2. Диаграммы Найквиста для NixInSe с х = 0 (а); 0,25 (б); 0,5 (в); 0,75 (г); 1,0 (д); 1,25 (е) ат. %.
1·10
6
2·10
6
3·10
6
4·10
60
3,0·10
6
6,0·10
6
9,0·10
6
1,2·10
7
990 1000 1010 1020 1030
0
20
40
60
80
100
Re Z
0 4·10
5
8·10
5
0
1·10
5
2·10
5
3·10
5
4·10
5
Re Z
0 1·10
4
2·10
4
3·10
4
4·10
4
5·10
4
6·10
4
0
0,5·10
4
1,0·10
4
1,5·10
4
2,0·10
4
2,5·10
4
3,0·10
4
Re Z
0 2·10
4
4·10
4
6·10
4
8·10
4
0
1·10
4
2·10
4
3·10
4
4·10
4
Re Z
1420 1460 1500 1540
0
7,50·10
1
1,50·10
2
2,25·10
2
Re Z
Re Z
–I
m
Z
–I
m
Z
–I
m
Z
–I
m
Z
–I
m
Z
–I
m
Z
а б в
г д е
И.М. Стахира, Н.К. Товстюк, В.Л. Фоменко, И.И. Григорчак, А.К. Борысюк, Б.А. Середюк
72 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2012, т. 38, № 1
емкости (n ~ 0,9). Его импеданс в комплексной плоско-
сти определяется как
ZCPE = A–1(jω)–n,
где А — фактор пропорциональности; n — степенной
показатель, обозначающий фазовое отклонение. При
этом первая (высокочастотная) параллельная R1CРЕ1-
цепь моделирует процесс переноса заряда через энер-
гетический рельеф объема зерна, а вторая (низкочас-
тотная) R2CРЕ2-цепь в соответствии с моделью Войта
[6] отображает перенос заряда через межзеренные
барьеры. Параллельность первой цепи указывает на то,
что в процессе переноса заряда, кроме зонных носите-
лей, участвуют и перескоки заряда по локализованным
состояниям в окрестности энергии Ферми или процес-
сы возбуждения носителей в хвосты плотности состоя-
ний либо в полосы делокализованных состояний.
Разложение диаграмм Найквиста на две указанные
выше составляющие дает возможность найти частоты
и соответствующие им значения действительной со-
ставляющей импеданса (R), соответствующие вкладу в
общую электропроводность зонных носителей объема
зерна. На рис. 2 они обозначены стрелками.
Зависимость R от концентрации внедренного нике-
ля приведена на рис. 4, на котором видна хорошая кор-
реляция ее характера с характером изменения парамет-
ра решетки с(х). Наблюдаемое соответствие поведения
R(x) и c(x) может свидетельствовать о вероятном опре-
деляющем вкладе подвижности в поведение функции
R(x). В то же время сильное падение сопротивления
после внедрения никеля логично было бы связать с
ростом концентрации свободных носителей.
Результаты исследования удельной намагниченно-
сти (as) синтезированных интеркалятов показаны на
рис. 5. Видно, что as(х) также немонотонно зависит от
концентрации внедренного Ni, однако она неадекватна
немонотонностям с(х) и R(x). При этом отсутствие
ферромагнитного отклика в удельной намагниченно-
сти является непрямым подтверждением отсутствия
свободного никеля в интеркалированном слоистом
кристалле и свидетельствует о блокировании процесса
образования ферромагнитных доменов в ангстремо-
размерных направлениях областей Ван-дер-Ваальса,
как это следует из теоремы Вольфарта–Стонера [7,8].
Неординарным, как видим, является эффект сильного
возрастания намагниченности при х = 1,0 ат. %, которо-
му соответствует расширение кристаллической решетки
в направлении кристаллографической оси с. Сопутст-
вующий распад квазимолекул Ni–In–In–Ni также может
свидетельствовать о нанокластеризации гостевого нике-
ля и его способности к когерентному перемагничива-
нию. Иными словами, в данном случае можно допус-
тить формирование суперпарамагнитного состояния.
Однако, как и раньше, остается непонятной природа
поведения as(x) и существенного уменьшения R(x). Что-
бы объяснить это, проведем теоретический анализ.
Используем модель, предложенную одним из авто-
ров в работе [9] для расчета плотности электронных
состояний слоистого кристалла, интеркалированного
гостевым компонентом, основное энергетическое со-
стояние которого находится в запрещенной зоне
0( 0,2ε = − эВ). В гамильтониане в [9] учтем электрон-
Рис. 3. Эквивалентная электрическая схема для диаграмм
Найквиста, приведенных на рис. 2.
R1 R2
CPE1 CPE2
Рис. 4. Зависимость действительной составляющей импедан-
са NixInSe от концентрации внедренного никеля. Точность
статистической обработки 0,001%.
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
10
3
10
4
10
5
10
6
R
, О
м
Концентрация гостевого , ат. %Ni
Рис. 5. Зависимость удельной намагниченности NixInSe от
концентрации внедренного никеля.
0,5 1,0 1,50
5
10
15
20
Концентрация гостевого , ат. %Ni
a
s
, 1
0
A
·
2
м
/к
г
2
0
Структура, намагниченность и низкотемпературный импедансный отклик поликристаллов InSe
Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2012, т. 38, № 1 73
ное перемешивание интеркалянт–матрица, которое в
приближении ближайших соседей в трехмерном слу-
чае имеет вид
2 2
0( ) ( ) [1 cos ] .h x y h zV k k t k V= α + + − +k (1)
На рис. 6 представлены численные расчеты плотности
электронных состояний ρ(ω) интеркалированного
слоистого кристалла для р = 0,1 (в модели виртуально-
го кристалла 0 constp N N= = — вероятность, с кото-
рой интеркалянт попадает в каждую элементарную
ячейку [9]). Как видно на рис. 6, наличие интеркалянта
приводит к появлению хвоста плотности состояний в
запрещенной зоне, который с ростом концентрации
интеркалянта сдвигается вниз по шкале энергий к се-
редине запрещенной зоны. В этом случае при ω = 0
плотность электронных состояний ρc(ω) = 0 (рис. 6,
кривая 2). В случае же учета электронного перемеши-
вания интеркалянт–матрица (1) плотность электрон-
ных состояний при ω = 0 становится отличной от нуля
(рис. 6, кривая 3), превышая плотность состояний в
окрестности дна зоны проводимости для неинтеркали-
рованной матрицы.
Таким образом, именно гибридизация электронных
орбиталей гостевого компонента и слоев матрицы спо-
собствует увеличению концентрации носителей заряда
(кроме увеличения подвижности) и, как следствие,
уменьшению сопротивления по сравнению с чистым
образцом, наблюдаемом в эксперименте (рис. 4).
Рассчитаем средний магнитный момент 3d-интер-
калянта, например Ni, в слоистой матрице. Используем
для этого модель, предложенную в работах [10,11],
учитывающую, в частности, что интеркалянт попадает
только в ван-дер-ваальсову щель, а также гибридиза-
цию электронной подсистемы интеркалята и ближай-
ших к ван-дер-ваальсовой щели слоев (V0), в которой
оказался интеркалянт. В этом случае гамильтониан
электронной подсистемы интеркалированного 3d-эле-
ментом слоистого кристалла имеет вид
____________________________________________________
0 0 0 0 00 0 0 0
,
( , ) ( )k k
k
H k c c a a a a Ua a a a+ + + + +
σ σ ↑ ↓ ↑ ↓↑ ↓ ↑ ↓
σ
= ε + ε + + +∑ χ χ
χ
χ
( )20 0 1
1 21 1
1 2
1
0 0 0
, ,
e e (1 e ) e e (1 e ) ( ) ( e e h.c.).ik li i ik likl ik ikl ik
k k kk
k k k
V a c c a t c c +− −+ + − − +
σ σ σ σ σσ
σ σ
⎡ ⎤+ + + + − − γ +⎣ ⎦∑ ∑n nχ χ
χ χ χχ
χ
(2)
_______________________________________________
Здесь σ — спин зонного электрона, U описывает куло-
новское взаимодействие электронов с противополож-
ными спинами на одному узле, t – γ — изменение элек-
тронного перемешивания между узлами ближайших к
интеркалянту слоев по всей ван-дер-ваальсовой щели с
t на γ. В уравнении (2) особенности строения слоистого
кристалла учитываем, как и в [10], согласно закону
дисперсии свободных носителей [12]
2( , ) (1 cos ),k t kε = αχ + −χ (3)
где ( , ),x yk k=χ ,zk k≡ *,1/ 2 x ymα = *,( x ym — эффек-
тивная масса электрона в плоскости слоя), t — величи-
на электронного перемешивания между ближайшими
слоями вдоль нормали к ним. Такой закон дисперсии
учитывает эффекты слоистости структуры через соот-
ношение между ширинами разрешенных зон в различ-
ных направлениях, т.е. в случае t << α эти эффекты
должны максимально проявляться.
Плотность электронных состояний интеркалянта в
слоистом кристалле рассчитывается, как и в [10], где
0ε нужно заменить на 0 000 :U a a Un+
↓ ↓↓
ε = ε + = ε +
2
0 12
2 2 2 2
0 12 0 12
1 2 Im
( ) ,
[ 2 Re ] [2 Im ]i
V A
V A V A
χ
↑
χ χ
⋅
π
ρ ω = −
ω− ε − +
∑
∑ ∑
(4)
[ ]
2
0 0
12
0
,
( ) 1 ( )
V S
A
t S
=
ω− ε + − γ
0
1 e 1 e .
( , ) ( , )
ik ik
k k
S
k k
−+ +
= =
ω− ε ω− ε∑ ∑χ χ
Рис. 6. Плотность электронных состояний ( )cρ ω для неин-
теркалированного слоистого кристалла (1), интеркалиро-
ванного с 0V = 0,05 еВ (2) и ( )V k (3).
–0,08 –0,06 –0,04 –0,02 0 0,02 0,04
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
�, эВ
�
�
с
(
),
эВ
–1
1
3
2
И.М. Стахира, Н.К. Товстюк, В.Л. Фоменко, И.И. Григорчак, А.К. Борысюк, Б.А. Середюк
74 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2012, т. 38, № 1
В слоистом кристалле ( , )i n↓ ↑ρ ω отличается от
( , )i n↓ ↑ρ ω в модели Андерсона, даже в случае t – γ = 0,
за счет непараболического закона дисперсии (3), вхо-
дящего в S0, S1, S2. Пики плотности электронных со-
стояний имеют определенную асимметрию, которая
исчезает с ростом t, их полуширина 0~ ( , )f V tΔ − γ
и при 0V = 0,05 эВ, t − γ = –0,02 эВ полуширина Δ
составляет 0,03–0,05 эВ. Положение пиков сдвинуто
вправо по шкале энергий на ~0,1 эВ относительно 0ε
0 0(ε − ε ≈ 0,1 эВ), что хорошо согласуется с предыду-
щими расчетами [10].
Средние числа заполнения электронами 3d-металла-
интеркалянта со спином вверх n↑ и вниз n↓ получа-
ются из уравнений
0
( , ) ( ) ,
F
i in n f d
ε
↑ ↑ ↓= ρ ω ω ω∫
0
( , ) ( )
F
i in n f d
ε
↓ ↓ ↑= ρ ω ω ω∫ .
(5)
Численные расчеты системы уравнений (5) прово-
дились в случае 1n n↑ ↓+ = при 02( ),FU ≥ ε − ε где
0 —ε положение рассчитанных пиков, для kT =
= 0,01 эВ, Fε = 0,06 эВ. Установлено, что при
/ 4U Δ = система уравнений (5) дает три решения, одно
из которых ,n n↑ ↓= а два другие обеспечивают значе-
ние 0.M n n↓ ↑= − ≠ Расчеты также показали, что су-
ществуют значения t, для которых ,n n↑ ↓= т.е. отсутст-
вует средний магнитный момент 0.M n n↑ ↓= − = В
нашей модели параметр t отвечает за электронное пе-
ремешивание в направлении кристаллографической
оси с, поэтому с уменьшением расстояния между ато-
мами соседних слоев, на которых локализированы
электроны, уменьшается постоянная решетки в этом
направлении и увеличивается значение t. Эксперимен-
тально обнаруженное немонотонное изменение вели-
чины постоянной решетки вдоль кристаллографической
оси с с ростом концентрации интеркалянта (рис. 1), на
языке электронного перемешивания, описывается из-
менением параметра t.
Зависимость среднего магнитного момента М от t
при U = 0,098 эВ, 0ε = –0,02 эВ, kT = 0,01 эВ, Fε =
= 0,06 эВ, t ≤ 0,1 эВ, t − γ = –0,02 эВ показана на рис. 7.
Как видно на рис. 7, существует область таких зна-
чень t, для которых средний магнитный момент M не-
монотонно изменяет свое значение. Сравнение теорети-
ческих результатов с экспериментальными показывает,
что предложенная теоретическая модель может качест-
венно объяснить немонотонное изменение намагничен-
ности от концентрации интеркалянта.
Заключение
1. Полученные механохимическим методом интерка-
ляты NixInSe (0 < х ≤ 1,25 ат. %) являются гомогенными
фазами, в которых кристаллографический параметр с
(перпендикулярный к плоскостям слоев) немонотонно
изменяется с ростом х.
2. Характер функциональной зависимости с(х) соот-
ветствует характеру изменения сопротивления зонным
носителям R(x) и неадекватен Ni-концентрационной
зависимости удельной намагниченности.
3. Аномальное увеличение намагниченности NixInSe
при х = 1,0 ат. % свидетельствует о возможной нано-
кластеризации никеля и формировании суперпарамаг-
нитного состояния.
4. Существенное увеличение проводимости селени-
да индия после внедрения никеля можно связать с уве-
личением как подвижности носителей тока, так и их
концентрации. При этом механизм первого вклада со-
стоит в возрастании перекрытия волновых функций
соседних слоев, а второго — в гибридизации элек-
тронных орбиталей гостевого никеля и слоев матрицы.
5. Модифицированная к слоистому кристаллу мо-
дель Андерсона, учитывающая как непараболический
закон дисперсии свободных носителей (закон Фиваза–
Шмидта), так и локальное изменение электронного
перемешивания между ближайшими к гостевой ком-
поненте слоями, качественно удовлетворительно объ-
ясняет полученную немонотонную зависимость намаг-
ниченности.
1. Б.П. Захарченя, В.Л. Коренев, УФН 175, 629 (2005).
2. Я.М. Бужук, Л.С. Демків, Й.М. Стахіра, Н.К. Товстюк,
В.Л. Фоменко, Нові технології 28, №2, 68 (2010).
3. А.Н. Титов, А.В. Долгошеин, ФТТ 42, 425 (2000).
4. А.Н. Титов, Ю.М. Ярмошенко, M. Neumann, В.Г. Плещев,
С.Г. Титова, ФТТ 46, 1628 (2004).
5. А.Н. Титов, А.В. Долгошеин, И.К. Бдикин, С.Г. Титова,
ФТТ 42, 1567 (2000).
6. З.Б. Стойнов, Б.Б. Графов, Б. Савова-Стойнова, В.В. Елкин,
Электрохимический импеданс, Наука, Москва (1991).
Рис. 7. Рассчитанная зависимость абсолютного значения
среднего магнитного момента М от t при U = 0,098 эВ, 0ε =
= –0,02 эВ, kT = 0,01 эВ, Fε = 0,06 эВ. На вставке: экспери-
ментальная зависимость намагниченности от 103/с, пропор-
циональной t.
–0,05 0 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25
–0,25
0
0,25
0,50
0,75
1,00
1,25
t, эВ
40,055 40,065 40,075 40,085
0,1
1
10
a
s
, 1
0
A
·
2
м
/к
г
2
10 /
3
c
|
|
M
Структура, намагниченность и низкотемпературный импедансный отклик поликристаллов InSe
Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2012, т. 38, № 1 75
7. E.C. Stoner, Proc. Roy. Soc. A165, 922 (1938).
8. E.P. Wahlfarth, Proc. Roy. Soc. A303, 1472 (1968).
9. N.K. Tovstyuk, Fiz. Nizk. Temp, 30, 672 (2004) [Low Temp.
Phys. 30, 505 (2004)].
10. Б.А. Лукіянець, Н.К. Товстюк, УФЖ 46, 100 (2001).
11. В.A. Lukiyanets and N.K. Tovstyuk, Mol. Phys. Rep. 23,
162 (1999).
12. R.F. Fivaz, J. Phys. Chem. Solids 28, 839 (1967).
Structure, magnetization and low-temperature
impedance response of InSe polycrystals intercalated
by nickel
Y.M. Stakhira, N.K. Tovstyuk, V.L. Fomenko, I.I. Gri-
gorchak, A.K. Borysyuk, and B.A. Seredyuk
A solid-phase mechanochemical technology of
producing of InSе polycrystals intercalated by Ni up to
1.25 at. % has been elaborated. The x-ray and phase
analysis of the NixInSe samples produced confirms
their homogeneity and demonstrates a nonmonotonic
Ni-content dependence of lattice constant along the
axis normal to the layers. The analysis of the low-tem-
perature (77 K) impedance response in the frequency
region 10–3–106 Hz shows a good correlation between
the charges in layer distance and band conductivity
with increasing Ni concentration. However the Ni
concentration dependence of specific magnetization
does not coincide with them because it demonstrates
an irregular increase at х ~ 1. The reason of such be-
havior is explained by the proposed theoretical model,
which at the same moment showed the mechanism of
increasing the role of free carriers concentration to
conductivity by the hybridization of electron orbitals
of guest nickel and lattice.
PACS: 61.43.Dq Amorphous semiconductors, met-
als, and alloys;
84.37.+q Measurements in electric variables
(including voltage, current, resistance, capacit-
ance, inductance, impedance, and admittance,
etc.);
75.50.Pp Magnetic semiconductors.
Keywords: structure, magnetization, impedance, den-
sity of states.
|