Резистивные и магниторезистивные свойства прессованных порошков CrO₂ с различными типами межгранульных диэлектрических прослоек

Исследованы резистивные, магниторезистивные и магнитные свойства четырех видов прессованных порошков CrO₂, синтезированных гидротермальным методом из хромового ангидрида. Предложенный новый метод синтеза позволяет регулировать толщины диэлектрических оболочек. Порошки состояли из округленных част...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2012
Hauptverfasser:	Далакова, Н.В., Белевцев, Б.И., Беляев, Е.Ю., Блудов, А.Н., Пащенко, В.Н., Осмоловский, М.Г., Осмоловская, О.М.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України 2012
Schriftenreihe:	Физика низких температур
Schlagworte:	Электpонные свойства металлов и сплавов
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/117970
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:	Резистивные и магниторезистивные свойства прессованных порошков CrO₂ с различными типами межгранульных диэлектрических прослоек / Н.В. Далакова, Б.И. Белевцев, Е.Ю. Беляев, А.Н. Блудов, В.Н. Пащенко, М.Г. Осмоловский, О.М. Осмоловская // Физика низких температур. — 2012. — Т. 38, № 12. — С. 1422–1432. — Бібліогр.: 24 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-117970
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1179702017-06-01T20:53:14Z Резистивные и магниторезистивные свойства прессованных порошков CrO₂ с различными типами межгранульных диэлектрических прослоек Далакова, Н.В. Белевцев, Б.И. Беляев, Е.Ю. Блудов, А.Н. Пащенко, В.Н. Осмоловский, М.Г. Осмоловская, О.М. Электpонные свойства металлов и сплавов Исследованы резистивные, магниторезистивные и магнитные свойства четырех видов прессованных порошков CrO₂, синтезированных гидротермальным методом из хромового ангидрида. Предложенный новый метод синтеза позволяет регулировать толщины диэлектрических оболочек. Порошки состояли из округленных частиц (со средним диаметром ≈ 120 нм) или игловидных кристаллов (диаметром ≈ 22,9 нм и длиной 302 нм). Все частицы имели поверхностную диэлектрическую оболочку различной толщины и вида (например, оксигидроксид β-CrOOH или оксид хрома Cr₂O₃). Изучено влияние свойств и толщины межгранульных диэлектрических прослоек, а также формы частиц CrO₂ на величину туннельного сопротивления и магнитосопротивления (МС) прессованных порошков. Для всех исследованных образцов при низких температурах обнаружены неметаллический температурный ход сопротивления и гигантское отрицательное МС. Максимальные величины МС при T ≈ 5 К составляли приблизительно 37% в относительно малых полях (0,5 Тл). С повышением температуры МС быстро уменьшалось (до ≈ 1% в поле 1 Тл при T ≈ 200 К). При низких температурах в порошках с игольчатыми частицами обнаружен новый вид гистерезиса МС и немонотонная зависимость МС при повышении магнитного поля. Обнаружены немонотонная температурная зависимость ( ) H T p , где H p — поле, при котором сопротивление в магнитном поле максимально, несоответствие по величине полей H p и коэрцитивной силы Hc , а также анизотропия МС в зависимости от взаимной ориентации транспортного тока и магнитного поля. Досліджено резистивні, магніторезистивні та магнітні властивості чотирьох видів пресованих порошків CrO₂, які синтезовано гідротермальним методом з хромового ангідриду. Новий метод синтезу, який запропоновано, дозволяє регулювати товщину діелектричних оболонок. Порошки складалися із закруглених частинок (з середнім діаметром ≈ 120 нм) або голковидних кристалів (діаметром ≈ 22,9 нм і завдовжки 302 нм). Усі частинки мали поверхневу діелектричну оболонку різної товщини та виду (наприклад, оксигидроксид β-CrOOH або оксид хрому Cr₂O₃). Вивчено вплив властивостей та товщини міжгранульних діелектричних прошарків, а також форми частинок CrO₂ на величину тунельного опору та магнітоопору (МО) пресованих порошків. Для усіх досліджених зразків при низьких температурах виявлено неметалічний температурний хід опору та велетенський негативний МО. Максимальні величини МО при T ≈ 5 К складали приблизно 37% у відносно малих полях (0,5 Тл). З підвищенням температури МО швидко зменшувався (до ≈ 1% у полі 1 Тл при T ≈ 200 К). При низьких температурах в порошках з голчастими частинками виявлено новий вид гістерезису МО та немонотонну залежність МО при підвищенні магнітного поля. Виявлено немонотонну температурну залежність () H T p , де H p — поле, при якому опір в магнітному полі є максимальним, невідповідність за величиною полів H p та коерцитивної сили Hc , а також анізотропію МО залежно від взаємної орієнтації транспортного струму і магнітного поля. Resistive, magnetoresistive and magnetic properties of four kinds of pressed powders of CrO₂, synthesized from chromic anhydride by the hydrothermal method were investigated. The new synthesis method allows the thickness of dielectric shells to be controlled. The powders consisted of particles (≈ 120 nm in dia.) or acicular crystals (≈ 22.9 nm in dia. and 302 nm in length). All the particles were covered with a surface dielectric shell of different thickness and types (e.g. β-CrOOH oxyhydroxide or chromium oxide Cr₂O₃). The influence of properties and thickness of intergranular dielectric layers as well as shapes of CrO₂ particles on tunnel resistance and magnetoresistance (MR) of the pressed powders was studied. It was found that at low temperatures all the samples studied displayed a nonmetallic temperature dependence of resistance and a giant negative MR. Maximum values of MR at T ≈ 5 K were ≈ 37% in rather low fields (0.5 T). As temperature was increased, MR decreased rapidly (down to ≈ 1% in field 1 T at T ≈ 200 K). At low temperatures the powders with acicular particles exhibited a new type of MR hysteresis and nonmonotonic dependence of MR with increasing magnetic field (a maximum). A nonmonotonic temperature dependence Hp(T), where Hp being a field in which the resistance is maximal, discrepancies in the values of Hp and coercive force Hc, and anisotropy of MR as a function of mutual orientation of transport current and magnetic field were observed. 2012 Article Резистивные и магниторезистивные свойства прессованных порошков CrO₂ с различными типами межгранульных диэлектрических прослоек / Н.В. Далакова, Б.И. Белевцев, Е.Ю. Беляев, А.Н. Блудов, В.Н. Пащенко, М.Г. Осмоловский, О.М. Осмоловская // Физика низких температур. — 2012. — Т. 38, № 12. — С. 1422–1432. — Бібліогр.: 24 назв. — рос. 0132-6414 PACS: 75.47.Gk, 75.47.Lx, 71.30.+h http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/117970 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	Электpонные свойства металлов и сплавов Электpонные свойства металлов и сплавов
spellingShingle	Электpонные свойства металлов и сплавов Электpонные свойства металлов и сплавов Далакова, Н.В. Белевцев, Б.И. Беляев, Е.Ю. Блудов, А.Н. Пащенко, В.Н. Осмоловский, М.Г. Осмоловская, О.М. Резистивные и магниторезистивные свойства прессованных порошков CrO₂ с различными типами межгранульных диэлектрических прослоек Физика низких температур
description	Исследованы резистивные, магниторезистивные и магнитные свойства четырех видов прессованных порошков CrO₂, синтезированных гидротермальным методом из хромового ангидрида. Предложенный новый метод синтеза позволяет регулировать толщины диэлектрических оболочек. Порошки состояли из округленных частиц (со средним диаметром ≈ 120 нм) или игловидных кристаллов (диаметром ≈ 22,9 нм и длиной 302 нм). Все частицы имели поверхностную диэлектрическую оболочку различной толщины и вида (например, оксигидроксид β-CrOOH или оксид хрома Cr₂O₃). Изучено влияние свойств и толщины межгранульных диэлектрических прослоек, а также формы частиц CrO₂ на величину туннельного сопротивления и магнитосопротивления (МС) прессованных порошков. Для всех исследованных образцов при низких температурах обнаружены неметаллический температурный ход сопротивления и гигантское отрицательное МС. Максимальные величины МС при T ≈ 5 К составляли приблизительно 37% в относительно малых полях (0,5 Тл). С повышением температуры МС быстро уменьшалось (до ≈ 1% в поле 1 Тл при T ≈ 200 К). При низких температурах в порошках с игольчатыми частицами обнаружен новый вид гистерезиса МС и немонотонная зависимость МС при повышении магнитного поля. Обнаружены немонотонная температурная зависимость ( ) H T p , где H p — поле, при котором сопротивление в магнитном поле максимально, несоответствие по величине полей H p и коэрцитивной силы Hc , а также анизотропия МС в зависимости от взаимной ориентации транспортного тока и магнитного поля.
format	Article
author	Далакова, Н.В. Белевцев, Б.И. Беляев, Е.Ю. Блудов, А.Н. Пащенко, В.Н. Осмоловский, М.Г. Осмоловская, О.М.
author_facet	Далакова, Н.В. Белевцев, Б.И. Беляев, Е.Ю. Блудов, А.Н. Пащенко, В.Н. Осмоловский, М.Г. Осмоловская, О.М.
author_sort	Далакова, Н.В.
title	Резистивные и магниторезистивные свойства прессованных порошков CrO₂ с различными типами межгранульных диэлектрических прослоек
title_short	Резистивные и магниторезистивные свойства прессованных порошков CrO₂ с различными типами межгранульных диэлектрических прослоек
title_full	Резистивные и магниторезистивные свойства прессованных порошков CrO₂ с различными типами межгранульных диэлектрических прослоек
title_fullStr	Резистивные и магниторезистивные свойства прессованных порошков CrO₂ с различными типами межгранульных диэлектрических прослоек
title_full_unstemmed	Резистивные и магниторезистивные свойства прессованных порошков CrO₂ с различными типами межгранульных диэлектрических прослоек
title_sort	резистивные и магниторезистивные свойства прессованных порошков cro₂ с различными типами межгранульных диэлектрических прослоек
publisher	Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України
publishDate	2012
topic_facet	Электpонные свойства металлов и сплавов
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/117970
citation_txt	Резистивные и магниторезистивные свойства прессованных порошков CrO₂ с различными типами межгранульных диэлектрических прослоек / Н.В. Далакова, Б.И. Белевцев, Е.Ю. Беляев, А.Н. Блудов, В.Н. Пащенко, М.Г. Осмоловский, О.М. Осмоловская // Физика низких температур. — 2012. — Т. 38, № 12. — С. 1422–1432. — Бібліогр.: 24 назв. — рос.
series	Физика низких температур
work_keys_str_mv	AT dalakovanv rezistivnyeimagnitorezistivnyesvojstvapressovannyhporoškovcro2srazličnymitipamimežgranulʹnyhdiélektričeskihprosloek AT belevcevbi rezistivnyeimagnitorezistivnyesvojstvapressovannyhporoškovcro2srazličnymitipamimežgranulʹnyhdiélektričeskihprosloek AT belâeveû rezistivnyeimagnitorezistivnyesvojstvapressovannyhporoškovcro2srazličnymitipamimežgranulʹnyhdiélektričeskihprosloek AT bludovan rezistivnyeimagnitorezistivnyesvojstvapressovannyhporoškovcro2srazličnymitipamimežgranulʹnyhdiélektričeskihprosloek AT paŝenkovn rezistivnyeimagnitorezistivnyesvojstvapressovannyhporoškovcro2srazličnymitipamimežgranulʹnyhdiélektričeskihprosloek AT osmolovskijmg rezistivnyeimagnitorezistivnyesvojstvapressovannyhporoškovcro2srazličnymitipamimežgranulʹnyhdiélektričeskihprosloek AT osmolovskaâom rezistivnyeimagnitorezistivnyesvojstvapressovannyhporoškovcro2srazličnymitipamimežgranulʹnyhdiélektričeskihprosloek
first_indexed	2025-07-08T13:05:33Z
last_indexed	2025-07-08T13:05:33Z
_version_	1837084111384084480
fulltext	© Н.В. Далакова, Б.И. Белевцев, Е.Ю. Беляев, А.Н. Блудов, В.Н. Пащенко, М.Г. Осмоловский, О.М. Осмоловская, 2012 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2012, т. 38, № 12, c. 1422–1432 Резистивные и магниторезистивные свойства прессованных порошков CrO2 с различными типами межгранульных диэлектрических прослоек Н.В. Далакова, Б.И. Белевцев, Е.Ю. Беляев, А.Н. Блудов, В.Н. Пащенко Физико-технический институт низких температур им. Б.И. Веркина НАН Украины пр. Ленина, 47, г. Харьков, 61103, Украина E-mail: dalakova@ilt.kharkov.ua М.Г. Осмоловский, О.М. Осмоловская Санкт-Петербургский государственный университет, химический факультет, Санкт-Петербург, 198504, Россия Статья поступила в редакцию 14 мая 2012 г. Исследованы резистивные, магниторезистивные и магнитные свойства четырех видов прессованных порошков CrO2, синтезированных гидротермальным методом из хромового ангидрида. Предложенный новый метод синтеза позволяет регулировать толщины диэлектрических оболочек. Порошки состояли из округленных частиц (со средним диаметром ≈ 120 нм) или игловидных кристаллов (диаметром ≈ 22,9 нм и длиной 302 нм). Все частицы имели поверхностную диэлектрическую оболочку различной толщины и вида (например, оксигидроксид β-CrOOH или оксид хрома Cr2O3). Изучено влияние свойств и толщины межгранульных диэлектрических прослоек, а также формы частиц CrO2 на величину туннельного сопро- тивления и магнитосопротивления (МС) прессованных порошков. Для всех исследованных образцов при низких температурах обнаружены неметаллический температурный ход сопротивления и гигантское от- рицательное МС. Максимальные величины МС при T ≈ 5 К составляли приблизительно 37% в относи- тельно малых полях (0,5 Тл). С повышением температуры МС быстро уменьшалось (до ≈ 1% в поле 1 Тл при T ≈ 200 К). При низких температурах в порошках с игольчатыми частицами обнаружен новый вид гистерезиса МС и немонотонная зависимость МС при повышении магнитного поля. Обнаружены немо- нотонная температурная зависимость ( )pH T , где pH — поле, при котором сопротивление в магнитном поле максимально, несоответствие по величине полей pH и коэрцитивной силы cH , а также анизотро- пия МС в зависимости от взаимной ориентации транспортного тока и магнитного поля. Досліджено резистивні, магніторезистивні та магнітні властивості чотирьох видів пресованих порош- ків CrO2, які синтезовано гідротермальним методом з хромового ангідриду. Новий метод синтезу, який запропоновано, дозволяє регулювати товщину діелектричних оболонок. Порошки складалися із закруг- лених частинок (з середнім діаметром ≈ 120 нм) або голковидних кристалів (діаметром ≈ 22,9 нм і зав- довжки 302 нм). Усі частинки мали поверхневу діелектричну оболонку різної товщини та виду (напри- клад, оксигидроксид β-CrOOH або оксид хрому Cr2O3). Вивчено вплив властивостей та товщини міжгранульних діелектричних прошарків, а також форми частинок CrO2 на величину тунельного опору та магнітоопору (МО) пресованих порошків. Для усіх досліджених зразків при низьких температурах ви- явлено неметалічний температурний хід опору та велетенський негативний МО. Максимальні величини МО при T ≈ 5 К складали приблизно 37% у відносно малих полях (0,5 Тл). З підвищенням температури МО швидко зменшувався (до ≈ 1% у полі 1 Тл при T ≈ 200 К). При низьких температурах в порошках з голчастими частинками виявлено новий вид гістерезису МО та немонотонну залежність МО при підви- щенні магнітного поля. Виявлено немонотонну температурну залежність ( )pH T , де pH — поле, при якому опір в магнітному полі є максимальним, невідповідність за величиною полів pH та коерцитивної сили cH , а також анізотропію МО залежно від взаємної орієнтації транспортного струму і магнітного поля. PACS: 75.47.Gk Колоссальное магнитосопротивление; 75.47.Lx Магнитные окислы; 71.30.+h Переходы металл–изолятор и другие электронные переходы. Резистивные и магниторезистивные свойства прессованных порошков CrO2 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2012, т. 38, № 12 1423 Ключевые слова: диоксид хрома, гидротермальный синтез, гранулированные магнитные материалы, туннельное магнитосопротивление. 1. Введение Диоксид хрома (CrO2) является ферромагнетиком с температурой Кюри TC ≈ 390 К. В течение длительного времени этот материал (в мелкозернистом виде) широ- ко использовался для магнитной записи. Помимо при- кладного значения интерес к диоксиду хрома обуслов- лен тем, что он является половинным металлом [1–3]. В таких металлах зона проводимости на уровне Ферми имеет носители только одной спиновой поляризации. При достаточно низких температурах величина поля- ризации P в CrO2 может приближаться к 100% [2]. Собственное магнитосопротивление (МС) монокри- сталлического CrO2 составляет около 1% (при Н = = 1 Тл) при комнатной температуре [3]. В случае ком- позиционного гранулированного материала, представ- ляющего собой прессованный порошок CrO2 с части- цами, покрытыми тонким слоем диэлектрика, МС оказывается гигантским, достигая более 30% при низ- ких температурах и небольших полях [1,4]. Это может представлять интерес для практических применений. В этом случае МС обусловлено наличием гранулярной структуры. В таком материале диэлектрические про- слойки препятствуют прямому ферромагнитному об- мену между соседними гранулами, допуская, однако, межгранульное туннелирование электронов. МС тако- го гранулированного материала является несобст- венным. Вероятность туннелирования зависит от отно- сительной ориентации вектора намагниченности в соседних гранулах [3] и очень чувствительна к прило- женному магнитному полю. Она максимальна, когда моменты в смежных гранулах ориентированы парал- лельно [3]. В научной литературе такого рода туннели- рование называется спин-зависящим, а соответствую- щее магнитосопротивление называется туннельным. Величина туннельного МС зависит от толщины и свойств межгранульных диэлектрических прослоек, что в значительной степени определяется технологией приготовления прессованного порошка. В работе [5] (с участием некоторых из авторов на- стоящей статьи) были приготовлены и исследованы образцы, состоящие из округленных (диаметром около 120 нм) частиц CrO2 с диэлектрическими прослойками (~1 нм) из оксигидроксида β-CrOOH. В настоящей ра- боте исследованы резистивные и магниторезистивные свойства других видов прессованных порошков, со- стоящих из игольчатых частиц CrO2. В этом случае диэлектрические прослойки были другого вида, в ча- стности полностью состояли из оксида Cr2O3. Влияние свойств диэлектрического барьера между ферромагне- тиками, в том числе свойств поверхностей раздела ферромагнетик–диэлектрик (включая роль структурно- го беспорядка в барьере), на туннельное МС является одной из важных и недостаточно исследованных про- блем туннельных ферромагнитных переходов [3,6]. В настоящей работе в рамках этой проблемы проведено изучение влияния свойств и толщины межгранульных диэлектрических прослоек, а также формы частиц на величину туннельного сопротивления и МС прессо- ванных порошков CrO2. 2. Методики приготовления и исследования образцов Синтез диоксида хрома в настоящей работе был проведен гидротермальным методом. Общие особен- ности использованной технологии описаны в работе [7]. В качестве основной стадии диоксид хрома синте- зирован из смеси CrO3, воды и специальных добавок, количество и вид которых определяют зародышеобра- зование, рост, размеры и форму частиц [5,7]. Синтез проводили в автоклаве при давлении 32 МПа при тем- пературе, не превышающей 330 °C. Были приготов- лены и исследованы три вида прессованных порошков диоксида хрома с игольчатыми частицами. Порошок № 1 был получен после вышеуказанного гидротермального синтеза и сушки при 150 °C с после- дующим просеиванием через сито и прессованием. Образец содержал зародышевую фазу Cr2MoO6, гете- роэпитаксиально покрытую CrSbO4. Соотношение элементов (атомное = мольное) в порошке молиб- ден:сурьма:хром составляло 0,2:2,0:100. Следователь- но, в порошке было около 6% по массе немагнитных зародышевых фаз. Роль добавок при синтезе — созда- ние зародышевых частиц абсолютно другого состава, но со структурой, как у диоксида хрома, и с параметра- ми решетки, отличными от диоксида хрома до 5%. В при- сутствии добавок из упомянутого раствора впрямую (без примеси «промежуточных» оксидов хрома) идет образование диоксида хрома на зародышевых инород- ных частицах — гетероэпитаксиальный процесс кри- сталлизации. Создаются эти зародыши за счет образо- вания смешанных оксидов со структурой типа рутила или трирутила, которые содержат хром(3) или молиб- ден(6) и т.д. Эти фазы образуются в области температур 140–200 °С, и их можно последовательно наращивать одну на другую, доводя размер зародыша до опти- мального размера. Сам диоксид хрома начинает (на за- родышах) образовываться от 220–230 °С и заканчивает при 320–350 °С, в зависимости от количества воды. В момент окончания синтеза в автоклаве имеется диок- сид хрома, в который включены частицы зародышей, а также вода в виде пара и жидкости. Н.В. Далакова и др. 1424 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2012, т. 38, № 12 Полученные игольчатые частицы были покрыты естественным деградированным слоем, состоящим из смеси аморфного β-CrOOH и некоторого количества окклюдированной хромовой кислоты. Оба соединения образуются при взаимодействии диоксида хрома и паров воды в ходе охлаждения препарата в автоклаве. Деградированный слой, хотя и довольно рыхлый, обеспечивает туннелирование электронов. Порошок №1 послужил исходным материалом для приготовле- ния посредством термической и химической обработ- ки других порошков. Дальнейшую обработку порошков проводили сле- дующим образом. Часть полученного порошка № 1 прогревали на воздухе при 320 °C, в результате чего содержание β-CrOOH и хромовой кислоты резко уменьшалось за счет их взаимодействия друг с другом с образованием CrO2 и за счет окисления β-CrOOH до CrO2 кислородом воздуха. В конечном итоге поверх- ностный слой состоял практически только из CrO2 (эта стадия обработки называется обогащением). Далее часть порошка была обработана раствором восстано- вителя [5], в результате чего частицы были покрыты стабилизирующим плотным слоем кристаллического орторомбического β-CrOOH (стадия стабилизации). Стадия стабилизации, за счет изменения состава по- верхностного слоя, приводит к образованию на поверх- ности частиц плотной, хорошо защищающей от внеш- ней среды диэлектрической оболочки. Образующаяся в процессе стабилизации диэлектрическая оболочка не имеет пор. Прокаливание при 270 CT = ° в потоке гелия пре- вращает оксигидроксидную оболочку в оксидную (Cr2O3). Эта процедура применена для порошка № 1 после стадий обогащения и стабилизации, полученный в результате материал был назван порошком № 2. Анало- гичная обработка была применена к порошку № 1 при получении порошка № 3. Отличием от получения по- рошка № 2 было использование раствора восстановите- ля с бóльшей концентрацией компонентов, обеспечив- шего образование более толстого восстановленного слоя. Оба порошка (№ 2 и № 3) обладали поверхност- ным слоем из Cr2O3, но у порошка № 2 он был более тонким. Cr2O3 имеет ромбоэдрическую решетку, явля- ется антиферромагнетиком с температурой Нееля 309 К и проявляет слабый магнитоэлектрический эффект. Са- мый тонкий диэлектрический слой был у порошка № 1. Из порошков с игловидными частицами посредством холодного прессования были сформированы таблетки, имеющие форму параллелепипедов с размерами 3×5×12 мм. Плотность прессованных таблеток составляла примерно 40% от рентгеновской плотности материала. В работе [5] прессование игольчатых порошков CrO2 про- изводилось до плотности 60%. Такое сильное прессова- ние происходило в случае, когда кристаллиты имели сла- бовыраженную анизотропию формы. Следует отметить, что частицы, имеющие игольчатую форму, должны ори- ентироваться в плоскостях при прессовании таблеток, хотя ориентация в плоскостях может быть довольно бес- порядочной. Тем не менее возможно различие транс- портных свойств для измерительных токов параллельных и перпендикулярных таким плоскостям. Средний диаметр частиц в образцах № 1–3 состав- лял 22,9 нм, а средняя длина — 302 нм. Средние раз- меры частиц определяли по электронным микрофото- графиям. Обычно это делалось для 30 частиц. Затем рассчитывали средние арифметические размеры. Раз- брос показаний составлял не более 4–5%. Например, для среднего диаметра игольчатых частиц получено значение 22,9 ± 0,8 нм. Иногда измерения проводили для большего числа частиц (до 400). Разница данных по сравнению с использованием 30 частиц составляла не более 5%. Наряду с образцами из игольчатых час- тиц был исследован также образец № 4, состоящий из округленных (диаметром около 120 нм) частиц CrO2 с диэлектрическими прослойками из стабилизирующего оксигидроксида β-CrOOH. Методика его приготовле- ния описана в работе [5]. Плотность этого прессован- ного образца была гораздо выше (около 60% от рент- геновской плотности). Средние толщины диэлектрических прослоек для исследованных образцов были различными (например, для серии образцов № 1–3 с игольчатыми частицами толщина прослоек повышалась с номером образца). Для всех образцов толщины прослоек были порядка 1 нм, хотя указанные различия достаточны для суще- ственного влияния на туннельное сопротивление. Толщина диэлектрических прослоек определялась как непосредственно (с помощью просвечивающего элек- тронного микроскопа высокого разрешения), так и косвенным образом, например по расходу реагентов при образовании диэлектрических слоев или по удель- ной намагниченности. Указанными методами опреде- лена толщина диэлектрической прослойки для образ- цов № 2, № 3 и № 4 (1,6; 2,1 и 3,6 нм соответственно). Порошки были протестированы электронно-микро- скопическим, рентгеновским и магнитным методами. Микрофотография игольчатого порошка, полученная в просвечивающем электронном микроскопе, показана на рис. 1. Найденные параметры решетки игольчатых час- тиц (а = 0,4424 нм, с = 0,2916 нм для решетки типа ру- тила) соответствуют известным данным для чистого CrO2 [2]. Магнитные свойства были измерены на вибра- ционном (77 Гц) и SQUID (Quantum Design) магнито- метрах. Пример гистерезисной кривой намагниченности показан на рис. 2. Температура Кюри исследованных образцов составляла около 390 К. Обнаружены интерес- ные особенности температурных и магнитополевых зависимостей намагниченности, которые будут пред- ставлены в отдельной публикации. Основные характе- ристики исследованных образцов указаны в табл. 1. Резистивные и магниторезистивные свойства прессованных порошков CrO2 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2012, т. 38, № 12 1425 Резистивные измерения проводили по четырехпро- водной схеме в режиме заданного тока (J = 100 мкА) и выполнения закона Ома. Расстояние между потенци- альными контактами составляло 8 мм. Магнитополе- вые зависимости были записаны в области температур 4,4–200 К в полях до 1,5 Тл. Магниторезистивные эф- фекты изучали в магнитном поле, направленном пер- пендикулярно току. Отдельные измерения были вы- полнены при магнитном поле, параллельном току, что будет обсуждено ниже. Протокол измерений МС соот- ветствовал обычному протоколу измерения гистере- зисных кривых намагниченности. Измерения МС про- изводили после ввода поля до максимального значения 1,5 Тл. 3. Результаты исследования На рис. 3 показаны температурные зависимости удельного сопротивления исследованных образцов. Номера кривых на этом рисунке соответствуют но- мерам образцов, охарактеризованных в предыдущем разделе и в табл. 1. Наибольшим сопротивлением об- ладает образец № 4 с плотной стабилизированной ок- сигидроксидной оболочкой частиц CrO2 округлой формы. Это неудивительно, так как у этого образца наибольшая толщина межгранульных прослоек (3,6 нм). Температурная зависимость сопротивления этого об- разца близка к экспоненциальной ( ( ) exp (1/ ))T Tρ ∝ при T < 20 К. Выше 20 К зависимость ( )R T является не столь крутой. Для образцов с игловидными частицами CrO2 зависимость ( )Tρ при T ≤ 50 К соответствует закону Мотта прыжковой проводимости с переменной длиной прыжка для 3D систем: 1/4 0 0exp ( / )T Tρ ρ≈ . При T > 50 К наблюдается отклонение от закона Мот- та. Из образцов с игольчатыми частицами наибольшее удельное сопротивление имеет образец № 3 с более толстой диэлектрической прослойкой Cr2O3 (2,1 нм), а наименьшее — образец № 1 с нестабилизированными диэлектрическими покрытиями частиц. При повыше- нии температуры до T ≈ 140 К у образца № 1 наблюда- Рис. 1. Микроснимок порошка CrO2 с игольчатыми частица- ми, полученный в просвечивающем электронном микроско- пе. Из этого порошка приготовлены образцы № 1, № 2 и № 3. 1 мкм Таблица 1. Характеристики исследованных прессованных порошков CrO2 № образца Поверхностная оболочка частиц Ssp , м2·г–1 Hc , Тл T = 295 К Hc , Тл T ≈ 5 К Msp , А·м2·кг–1 Mmax , А·м2·кг–1 МС, % 1 Деградированная (смесь хромовой кислоты и β-CrOOH) ∼34 0,0429 78,6 –20 (0,6 Тл) 2 Cr2O3 ∼34 0,0421 72,5 –32 (0,4 Тл) 3 Cr2O3 ∼34 0,0422 0,0615 66,24 82,2 –36,6 (0,4 Тл) 4 Стабилизированный слой β-CrOOH 10,5 0,0149 0,033 62,5 88,3 –18,6 (0,5 Тл) П р и м е ч а н и е: Ssp — удельная поверхность; Hc — коэрцитивная сила (при T = 295 К и 5T ≈ К), Msp — удельная намагни- ченность при комнатной температуре в поле 1 Тл, Mmax — максимальная удельная намагниченность при низких температу- рах и высоких магнитных полях ( 5T ≈ К, Н = 5 Тл), MC — магнитосопротивление, [ ]( ) (0) / (0)R H R R− , при 5T ≈ К (в скобках указана величина магнитного поля). Рис. 2. Гистерезисные кривые намагниченности образца № 3 при Т = 5,1 К. –2 –1 0 1 2 –80 –40 0 40 80 T = 5 1 , К H, лT Образец №3M , ·м ·к г A 2 –1 Н.В. Далакова и др. 1426 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2012, т. 38, № 12 ется минимум сопротивления и переход к металличе- скому температурному ходу сопротивления ( / 0)d dTρ > . В таких случаях иногда говорят о пере- ходе диэлектрик–металл при повышении температуры. Более низкие (чем у образцов № 2 и № 3) значения удельного сопротивления этого образца могут быть связаны с неоднородностью толщины и возможной локальной несплошностью диэлектрических оболочек частиц. Такого рода минимум сопротивления — до- вольно типичное явление в поликристаллических или гранулированных оксидах переходных металлов с не- однородными по толщине диэлектрическими прослой- ками. Основной причиной его является переход от ак- тивированного к неактивированному туннелированию электронов при повышении температуры и образова- нию выше 140T ≈ К перколяционного канала, состоя- щего из последовательности металлических гранул со слабыми барьерами с неактивированным туннелирова- нием или просто металлическими «закоротками». Бо- лее подробно этот механизм минимума сопротивления гранулированных магнитных металлов описан в работе [8]. Известны также некоторые модели такого рода минимума сопротивления (см., например, работу [9]). На рис. 4 показаны магнитополевые зависимости МС, [ ( ) (0)] / (0)R H R R− , образца № 4 с частицами CrO2 округлой формы, записанные при 4,17 и 20,43 К. Нижняя часть этого рисунка (Т = 20,43 К) демонстри- рует типичное для поликристаллических оксидов пе- реходных магнитных металлов поведение гистерезиса туннельного МС, которое полностью соответствует гистерезису намагниченности (см. пояснения в работе [3]). При таком виде гистерезиса в области низких по- лей появляются два максимума положительного МС при характерных полях H, равных pH+ и pH− , где величина Hp соответствует коэрцитивной силе Hc [3]. Этот обычный вид гистерезиса МС обнаружен для об- разца № 4 только при достаточно высоких температу- рах ( 15T ≥ К). При низких температурах вид гистере- зиса усложнялся (см. на рис. 4(а) гистерезис МС при Т = 4,17 К). В этом случае наряду с двумя пиками по- ложительного МС наблюдалось дополнительное пере- сечение кривых ( )R H для прямой и обратной разверт- ки магнитного поля в полях несколько выше Hp. Возможная причина такого гистерезиса обсуждена в работе [5] и связывается с перколяционным характе- Рис. 3. Температурные зависимости удельного сопротивле- ния исследованных образцов прессованных порошков CrO2. Номера кривых соответствуют номеру образца. 0,3 0,4 0,5 0,6 0,70,1 1 10 4 140 К 200 T, К 5102050100 3 2 1 ρ, О м· см T –1/4 –1/4 , К Рис. 4. Гистерезисные кривые МС образца № 4 при Т, К: 4,17 (a) и 20,43 (б). На вставках показано поведение МС в малых полях. Стрелки указывают направление изменения магнит- ного поля при записи кривых. На вставке при Т = 4,17 К от- мечено поле Hp, при котором достигается максимальное зна- чение сопротивления в магнитном поле. –0,2 0 0,2 –0,08 –0,06 –0,04 –0,02 0 –0,2 0 –0,05 0 –1,5 –1,0 –0,5 0 0,5 1,0 1,5 –0,12 –0,08 –0,04 0 H, Tл H, Tл H, Tл H, Tл T = 20,43 К –1,5 –1,0 –0,5 0 0,5 1,0 1,5 –0,20 –0,15 –0,10 –0,05 0 T = 4,17 К Hp ΔR H R ( )/ (0 ) ΔR H R ( )/ (0 ) ΔR H R ( )/ (0 ) ΔR H R ( )/ (0 ) (а) (б) 0,2 Резистивные и магниторезистивные свойства прессованных порошков CrO2 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2012, т. 38, № 12 1427 ром туннельной проводимости этой гранулированной системы при низких температурах, когда проводи- мость всей системы может определяться немногочис- ленными перколяционными токовыми каналами. В этом случае гистерезис в области полей выше Hp свя- зан с переключением небольшого количества перколя- ционных токовых каналов при вводе и выводе поля при низких температурах. Следует отметить, что, несмотря на довольно боль- шую толщину межгранульной прослойки (3,6 нм), наи- большую среди измеренных образцов, отрицательное МС этого образца при низких температурах довольно высоко (более 18%). Согласно известным литератур- ным данным, зависимость МС от толщины прослоек практически не исследована, но можно высказать не- которые соображения по этому поводу. Можно доста- точно уверенно полагать, что МС растет с повышением толщин диэлектрических прослоек, но до определен- ного предела. При достаточно толстых межгранульных диэлектрических прослойках гранулированные образ- цы превращаются в систему полностью изолирован- ных гранул, в которой туннелирование и, соответст- венно, туннельное МС полностью отсутствует. В поведении гистерезиса МС для образцов с иголь- чатыми частицами CrO2 были обнаружены существен- ные отличия от гистерезиса образца № 4 с округленной формой частиц. Эти отличия можно видеть на примере образца № 2 (рис. 5). На рисунке видно, что петля гис- терезиса увеличивается с понижением температуры. Гистерезисы МС при температурах 20 и 10 К полно- стью соответствуют типам гистерезиса, описанным выше для образца № 4 (рис. 4). Гистерезис при 5T ≤ К имеет, однако, ряд особенностей, не отмеченных ранее в известной нам литературе не только для прессован- ных порошков CrO2, но и для других гранулированных магнитных металлов. Такой (третий) вид гистерезиса показан на рис. 5 при Т = 4,4 К. В этом случае при ма- лых полях вместо двух пиков положительного МС при pH H= наблюдается более сложная структура кри- вых ( )R H , которая будет обсуждена в отдельной пуб- ликации. Кроме того, для образца № 2 при Т = 4,4 К (рис. 5) наблюдается немонотонная зависимость МС при повышении магнитного поля: абсолютная величи- на МС сначала довольно быстро возрастает с полем, а затем начинает заметно убывать, образуя максимум. Такое поведение при низких температурах было най- дено для всех трех образцов (№ 1, № 2 и № 3) с иголь- чатыми частицами (в образце № 3 это поведение было выражено в наибольшей степени, а для образца № 1 оно проявлялось довольно слабо). Это противоречит обычно наблюдаемому гистерезису МС для магнитных оксидов переходных металлов. Для таких материалов при повышении поля обычно наблюдается монотонное увеличение отрицательного МС: сначала довольно резкий рост в малых полях с последующим гораздо более медленным повышением при более высоких по- лях. Считается [3], что это отражает полевую зависи- мость намагниченности (рис. 2): сильный рост в облас- ти малых полей с последующим слабым увеличением в достаточно высоких полях. Возможная причина несо- ответствия гистерезисов намагниченности и МС в не- однородных гранулированных магнитных системах указана ранее в работе [5]. Намагниченность, измеряе- мая магнитометром, определяется вкладом всех гранул системы. В то же время в перколяционной туннельной системе с неодинаковыми межгранульными туннель- ными барьерами проводимость определяется наличием «оптимальных» цепочек гранул с максимальной веро- ятностью туннелирования [10]. В условиях активиро- ванной проводимости, имеющей место для исследо- ванных образцов (рис. 3), число проводящих цепочек уменьшается с понижением температуры [10] и увели- чением магнитного поля [11], так что при достаточно низких температурах и высоких магнитных полях пер- коляционная проводящая сетка может свестись к един- ственному проводящему каналу [10,11]. В таких усло- виях проводимость при низких температурах может определяться малой объемной долей гранул, и локаль- Рис. 5. Гистерезисные кривые МС образца № 2 при трех Т, К: 4,4 (а), 10 (б), 20 (в). Стрелки указывают направление изме- нения магнитного поля при записи кривых. –0,20 –0,15 –0,10 –0,05 0 –0,3 –0,2 –0,1 0 –1,6 –1,6 –1,6 –1,2 –1,2 –1,2 –0,8 –0,8 –0,8 –0,4 –0,4 –0,4 0 0 0 0,4 0,4 0,4 0,8 0,8 0,8 1,2 1,2 1,2 1,6 1,6 1,6 –0,20 –0,15 –0,10 –0,05 0 H, Tл H, Tл H, Tл ΔR H R ( )/ (0 ) ΔR H R ( )/ (0 ) ΔR H R ( )/ (0 ) (а) (б) (в) T = 10,0 К T = 4,4 К T = 20,0 К Н.В. Далакова и др. 1428 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2012, т. 38, № 12 ные магнитные свойства этой части гранул могут от- личаться от поведения глобальной намагниченности, измеряемой магнитометром. Это может быть одной из причин обнаруженного в работе [5] сильного отличия величин cH и pH . Такое же явление обнаружено в настоящей работе и в прессованных порошках CrO2, состоящих из игольчатых частиц, что будет рассмот- рено ниже. Температурные зависимости поля Hp и коэрцитив- ной силы cH образца № 3 показаны на рис. 6. Обычно для ферромагнетиков величина Hc является макси- мальной при низких температурах и уменьшается с повышением температуры (в пределе до нуля при при- ближении к CT ). Поведение ( )cH T (рис. 6) соответст- вует такому ожидаемому поведению. В то же время зависимость ( )pH T для образцов с игольчатыми час- тицами (рис. 6) оказалась необычной. Во-первых, для этих образцов не выполняется соотношение ( ) ( )p cH T H T≈ , ожидаемое и наблюдаемое для прес- сованных порошков с достаточно малыми (субмикрон- ными) размерами, включая и порошки CrO2 [1,4]. Во- вторых, зависимость ( )pH T оказалась немонотонной, причем в области 50–100 К величина pH значительно превышает cH , а при дальнейшем повышении темпе- ратуры разница между pH и cH существенно умень- шается. Ранее немонотонная зависимость ( )pH T на- блюдалась для прессованных порошков, состоящих из округленных частиц CrO2 с диэлектрическим покры- тием β-CrOOH [5] (эти порошки соответствуют образ- цу № 4, исследованному в настоящей работе). В этих образцах с размерами частиц 120 нм можно ожидать, что все частицы являются однодоменными, так как известно [12], что критический диаметр сферических однодоменных частиц CrO2 составляет около 200 нм. Разброс размеров гранул, а также слабые туннельные барьеры между некоторыми гранулами приводят, од- нако, к тому, что небольшая часть гранул находится в многодоменном состоянии. Между тем, как указано в работе [5], при низких температурах немногочислен- ные проводящие перколяционные каналы, дающие основной вклад в проводимость, состоят в основном из многодоменных частиц. В таких частицах локальные величины cH меньше, чем в однодоменных частицах, что и приводит к уменьшению измеряемых величин ( )pH T при достаточном уменьшении температуры. Трактовка работы [5] в значительной степени согла- суется с результатами исследования [13] прессованных порошков манганитов La2/3Sr1/3MnO3 с разными раз- мерами частиц. В этой работе было обнаружено, что для многодоменных частиц манганитов выполняется соотношение p cH H> . Различие величин pH и cH уменьшается при понижении размеров частиц. При достаточном уменьшении размеров частиц они стано- вятся однодоменными, в результате чего начинает вы- полняться соотношение p cH H≈ . В однодоменных частицах при повышении магнитного поля магнитные моменты гранул стремятся ориентироваться парал- лельно приложенному полю. Это происходит путем однородного вращения магнитных моментов частиц в магнитном поле. В этом случае имеет место однознач- ное соответствие величины МС и измеряемой намаг- ниченности образца, так что выполняется соотношение p cH H≈ [3]. В многодоменных частицах перемагни- чивание (т.е. изменение направления вектора намаг- ниченности на противоположное) при cH H= проис- ходит легче при зарождении и росте домена с противоположным направлением магнитного момента [14,15]. При этом движение доменных стенок практи- чески не оказывает влияния на МС, обусловленное спин-зависящим магнитным туннелированием [13]. В таких условиях выполняется неравенство p cH H≠ и отсутствует корреляция между измеряемой намагни- ченностью и МС. Эти представления применимы и к образцам № 1–3 с игольчатыми частицами. Частицы (со средним диаметром 22,9 нм и средней длиной 302 нм) являются, несомненно, многодоменными. Одна- ко многие аспекты проблемы соотношения pH и cH до сих пор остаются неясными и требующими даль- нейших исследований. В частности, остается в значи- тельной степени неясной обнаруженная в настоящей работе немонотонная зависимость ( )pH T . Данные табл. 1 показывают, что Hc порошка № 4 с частицами округленной формы намного меньше, чем у образцов № 1–3 с игольчатыми частицами. Образец № 4 имел меньшую анизотропию формы и меньшую пористость, чем образцы № 1–3. Удельная поверхность этого образца была в 2,9 раз меньше. Кроме того, по- скольку кристаллическая решетка оксигидроксида (ти- па рутила) незначительно отличается от решетки ос- новного материала CrO2, граница раздела между Рис. 6. Температурные зависимости поля pH (пик положи- тельного МС) и коэрцитивной силы cH образца № 3. 0 50 100 150 200 250 3000,02 0,04 0,06 0,08 0,10 T, К Hc Нp Н H p c , , T л Резистивные и магниторезистивные свойства прессованных порошков CrO2 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2012, т. 38, № 12 1429 поверхностью частицы и диэлектрической оболочкой не имеет сильных искажений кристаллической решет- ки, нарушающих магнитную структуру CrO2. Таким образом, образец № 4 являлся более однородным в магнитном отношении и не имел больших внутренних напряжений, препятствующих процессам перемагни- чивания. Согласно табл. 1, величина МС игольчатых образ- цов с диэлектрическими прослойками Cr2O3 намного превышает МС образца № 4 с частицами, форма кото- рых близка к сферической, а межгранульные прослой- ки состоят из β-CrOOH. В игольчатых образцах вели- чина МС возрастает при увеличении средней толщины межгранульных слоев Cr2O3. В прессованных порош- ках диэлектрические прослойки не обладают строго одинаковой толщиной, а имеется определенный стати- стический и, соответственно, пространственный раз- брос этих величин. Вследствие этого часть межгра- нульных контактов представляет собой слабые барьеры, для прохождения которых не нужно активи- рованное туннелирование. Не исключено наличие не- посредственных электрических межгранульных кон- тактов («закороток»). Все это может ослаблять роль спин-зависящего туннелирования и уменьшать тун- нельное МС в образцах с достаточно тонкими межгра- нульными прослойками. Известно, что по сравнению с оболочками из β-CrOOH диэлектрические оболочки из Cr2O3 термодинамически более стабильны и надежнее защищают частицы CrO2 от воздействия окружающей атмосферы. Поэтому МС образцов с межгранульными прослойками из Cr2O3 является более высоким, чем с довольно рыхлыми прослойками из β-CrOOH. Естест- венно также, что повышение средней толщины меж- гранульных слоев Cr2O3 приводит к усилению тун- нельного характера проводимости и увеличению туннельного МС (табл. 1). Важный результат настоящей работы — обнаруже- ние анизотропии МС в зависимости от взаимной ори- ентации магнитного поля и транспортного тока. При- веденные в табл. 1 данные по МС относятся к перпендикулярной взаимной ориентации поля и тока ( )H J⊥ . При параллельной ориентации ( \|\|H J ) МС оказалось существенно выше. Например, для образца № 3 МС при 5T ≈ К в поле 0,3 Тл составляет 36,3% при H J⊥ и 40% при \|\|H J . При повышении поля анизотропия МС уменьшается. Зависимость МС от взаимной ориентации поля и тока хорошо известна для 3d-металлов и считается характерным свойством фер- ромагнетиков [16,17]. Полагают, что такого рода ани- зотропное МС обусловлено спин-орбитальным взаи- модействием. Для массивных ферромагнетиков величина этого эффекта обычно порядка 1% [1]. В на- стоящей работе величина анизотропии МС, \|\|[ ( ) ( )] / (0)R H R H R⊥− , оказалась значительно больше (около 4%). Такая довольно большая величина не по- зволяет однозначно отнести ее к влиянию спин- орбитального взаимодействия в соответствии с моде- лями [16,17]. Нельзя исключить, что имеются вклады и других источников такого рода анизотропии. Выше было указано, что при прессовании таблеток иглы рас- полагаются в плоскостях беспорядочным образом. При \|\|H J поле направлено вдоль этих плоскостей, в то время как при H J⊥ поле направлено перпендикуляр- но этим плоскостям. Различие транспортных свойств для измерительных токов, параллельных и перпенди- кулярных таким плоскостям, вполне возможно, и это может дать вклад в наблюдаемую анизотропию МС. Этот вопрос заслуживает дальнейших исследований. Туннельное МС прессованных порошков CrO2 бы- стро уменьшается с повышением температуры выше 5 К (рис. 7). Например, для образца № 4 повышение температуры до 180 К приводит к уменьшению МС на два порядка (до 0,2% при Н = 1,2 Тл). В работах [1,4,17] было отмечено, что падение МС с повышением темпе- ратуры происходит пропорционально exp ( / )mT T− , т.е. по экспоненциальному закону. Исследованные в на- стоящей работе образцы также следуют этому закону, как это видно из построенных в полулогарифмическом масштабе графиков на рис. 7. Величины mT оказались зависящими от того, в каком диапазоне магнитных полей проводятся измерения МС [1,4,17]. Значения mT для области низких полей вблизи pH , где происходит резкое уменьшение сопротивления с повышением маг- нитного поля, оказались меньшими, чем в области вы- соких полей, где происходит насыщение МС. Для тем- пературных зависимостей МС, показанных на рис. 7, 45mT = К для образца № 4 и 60 К для игольчатых об- разцов № 2 и № 3. Рис. 7. Температурные зависимости МС образцов № 2, № 3 (в поле 1,5 Тл) и № 4 (в поле 1,2 Тл). 0 50 100 150 200 1 10 T, К Образец № 4 Образец № 3 Образец № 2 H = 1,5 Tл H = 1,2 Tл –[ ( ) – (0 )] / (0 ), % R H R R Н.В. Далакова и др. 1430 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2012, т. 38, № 12 Туннельное МС гранулированных ферромагнети- ков, том числе и прессованных порошков CrO2, опре- деляется только прямым туннелированием носителей заряда с сохранением спина. Процессы прохождения туннельных барьеров, в которых спин носителей заря- да не сохраняется (например, за счет переворотов спи- нов на примесях и дефектах на границах гранул) не дают вклада в измеряемое МС. Основная причина сильного падения МС с ростом температуры объясня- ется, прежде всего, уменьшением спиновой поляриза- ции P при повышении температуры [1–4,18–21]. Со- гласно работам [2,3,20,21], МС связано с поляризацией формулой 2 21 e e P MR P = + , (1) где eP — эффективная поляризация без переворотов спина в барьере при туннелировании электронов. Со- гласно этой формуле, максимальное МС при магнит- ном туннелировании составляет 50%. Отметим, что в нашем исследовании максимальное МС 40%≈ , чему соответствует 82%P ≈ . В работе [22], используя ме- тод микроконтактной спектроскопии, было проведено измерение величины спиновой поляризации для CrO2 и получено значение 90 ± 3,6P = % при 1,6T = К. Это вполне соответствует нашему результату (82% при 5T ≈ К). В работе [3] приведено следующее выражение для туннельного МС: 2 2 2 0 [ ( ) (0)] 4 s JP M H M kT M Δρ ρ − = − , (2) где J — константа обменного взаимодействия, sM — намагниченность насыщения. Из формул (1) и (2) вид- но, что туннельное МС зависит в первую очередь от поляризации. В известной литературе обсуждение вопроса об уменьшении туннельного сопротивления с повышени- ем температуры носит в основном качественный ха- рактер. Некоторые конкретные теоретические модели можно найти в работах [1,3,4,6,18,19,21]. В частности, в работе [21] представлена феноменологическая мо- дель, в которой авторы предполагают, что поляризация P пропорциональна намагниченности поверхностного слоя ферромагнитных частиц, так что обе эти величи- ны уменьшаются с повышением температуры под влиянием спин-волновых возбуждений. Для области низких температур авторы [21] приводят следующее выражение для P(T): 3/2 0( ) (1 )P T P Tα= − , (3) где 0P — поляризация при T = 0 К, α — константа, зависящая от материала. Другим фактором, определяющим падение МС с ростом температуры, является наличие параллельных каналов прохождения носителями заряда межгрануль- ных границ, в которых спин не сохраняется. К таким процессам относятся, например, указанное выше про- хождение границ с переворотом спина на примесях и дефектах решетки, многоступенчатое туннелирование и другие процессы [1,4,18,19]. Роль процессов прохож- дения границ без сохранения спина усиливается с по- вышением температуры, что также дает вклад в бы- строе уменьшение МС. Одним из наиболее интересных (и неожиданных) результатов настоящего исследования является обна- ружение немонотонной зависимости МС при повыше- нии магнитного поля (абсолютная величина МС снача- ла довольно быстро возрастает с полем, а затем начинает заметно убывать, образуя максимум) (см. рис. 5 для образца № 2 при Т = 4,4 К). Этот эффект не упоминался ранее в литературе для гранулированных ферромагнитных оксидов. Мы наблюдали такой эф- фект только при низких температурах ( 7,5T ≤ К) для порошков, состоящих из игольчатых частиц, причем эффект усиливался по мере образования плотных меж- гранульных слоев из Cr2O3. Это иллюстрирует рис. 8, где сравниваются кривые МС для образцов № 1 и № 2. В образце № 1 игольчатые частицы были покрыты ес- тественным деградированным слоем, состоящим из смеси аморфного β-CrOOH и хромовой кислоты. Этот слой довольно рыхлый, и немонотонность изменения МС при повышении магнитного поля проявлялась весьма слабо. В то же время для образца № 2 с плот- ными межгранульными оболочками из Cr2O3 немоно- тонность полевой зависимости МС становится весьма выразительной. Рис. 8. Гистерезисные кривые МС при 4,4 К образцов № 1 ( , ) и № 2 ( , ). Стрелки указывают направление изме- нения магнитного поля при записи кривых. –1,5 –1,0 –0,5 0 0,5 1,0 1,5 –0,3 –0,2 –0,1 0 T = 4,4 К H, Tл Образец № 2 Образец № 1 ΔR H R ( )/ (0 ) Резистивные и магниторезистивные свойства прессованных порошков CrO2 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2012, т. 38, № 12 1431 Немонотонное изменение МС при повышении маг- нитного поля означает, что сопротивление образца сначала убывает, а затем начинает возрастать за счет вклада положительного МС. Появление положитель- ного МС может быть обусловлено тем, что достаточно сильное поле изменяет свойства межгранульных тун- нельных барьеров, состоящих их прослоек Cr2O3. В известных теориях туннельного МС гранулированных ферромагнетиков предполагается, что диэлектрические барьеры являются немагнитными. Однако Cr2O3 — антиферромагнетик, так что магнитное поле может изменять его свойства. Согласно работе [23], диэлек- трические барьеры из Cr2O3 между частицами CrO2 улучшают туннельное МС и чувствительность сопро- тивления к магнитному полю при слабых полях (по сравнению с другими видами прослоек). В работе [24] указано, что магнитное поле может легко поворачивать спины в достаточно тонких прослойках из Cr2O3 в прессованных порошках CrO2. Это может приводить к изменениям свойств туннельных барьеров. Этот во- прос (а также рассмотрение других возможных причин появления положительного МС) заслуживает даль- нейшего изучения. 4. Заключение Проведено исследование магниторезистивных эф- фектов в прессованных порошках, состоящих из фер- ромагнитных частиц CrO2, разделенных диэлектриче- скими прослойками. Показано, что сопротивление и спин-зависящее туннельное МС существенно зависят от формы частиц (игольчатая или округленная), а так- же от толщины и типа диэлектрического покрытия час- тиц. Полученные результаты свидетельствуют о воз- можности влияния на резистивные характеристики гранулированных систем из частиц CrO2 посредством контролируемого изменения толщины и типа диэлек- трических прослоек. В работе получены новые результаты, из которых следует особо отметить следующие: — обнаружение при низких температурах в порош- ках с игольчатыми частицами немонотонной зависи- мости МС при повышении магнитного поля (абсолют- ная величина МС сначала довольно быстро возрастает с полем, а затем начинает заметно убывать, образуя максимум); — обнаружение анизотропии МС в зависимости от взаимной ориентации транспортного тока и магнитно- го поля; — новый метод синтеза, позволяющий регулиро- вать толщины диэлектрических оболочек. 1. J.M.D. Coey, J. Appl. Phys. 85, 5576 (1999). 2. J.M.D. Coey and M. Venkatesan, J. Appl. Phys. 91, 8345 (2002). 3. M. Ziese, Rep. Progr. Phys. 65, 143 (2002). 4. J.M.D. Coey, A.E. Berkowitz, Ll. Balcells, and F.F. Putris, Phys. Rev. Lett. 80, 3815 (1998). 5. B.I. Belevtsev, N.V. Dalakova, M.G. Osmolowsky, E.Yu. Beliayev, and A.A. Selutin, J. Alloys Comp. 479, 11 (2009). 6. E.Y. Tsymbal, O.N. Mryasov, and P.R. LeClair, J. Phys.: Condens. Matter 15, R109 (2003). 7. М.Г. Осмоловский, И.И. Кожина, Л.Ю. Иванова, О.Л. Бай- дакова, Журн. прикл. химии 74, 3 (2001). 8. B.I. Belevtsev, D.G. Naugle, K.D.D. Rathnayaka, A. Parasi- ris, and J. Fink-Finowicki, Physica B 355, 341 (2005). 9. А.Г. Гамзатов, А.Б. Батдалов, О.В. Мельников, О.Ю. Гор- бенко, ФНТ 35, 290 (2009) [Low Temp. Phys. 35, 219 (2009)]. 10. P. Sheng, Philos. Mag. B 65, 357 (1992). 11. Sheng Ju, Tian-Yi Cai, and Z.Y. Li, Appl. Phys. Lett. 87, 172504 (2005). 12. H. Kronmüller, in: Aspects of Modern Magnetism, F.C. Pu, Y.J. Wang, and C.H. Shang (eds.), World Scientific, Singa- pore (1996). 13. I. Panagiotopoulos, N. Moutis, M. Ziese, and A. Bollero, J. Magn. Magn. Mater. 299, 94 (2006). 14. J. Smit and H.P.J. Wijn, Ferrites, Phillips Technical Library, Eindhoven (1959). 15. H. Morrish, Physical Principles of Magnetism, John Wiley & Sons, New York (1965). 16. T.R. McGuire and R.I. Potter, IEEE Trans. Magn. MAG-11, 1018 (1975). 17. E. Dan Dahlberg, Kevin Riggs, and G.A. Prinz, J. Appl. Phys. 63, 4270 (1988). 18. H. Liu, R.K. Zheng, Y. Wang, H.L. Bai, and X.X. Zhang, Phys. Status Solidi A 202, 144 (2005). 19. H. Sun and Z.Y. Li, Phys. Lett. A 287, 283 (2001). 20. S. Inoue and S. Maekawa, Phys. Rev. B 53, R11927 (1996). 21. Chang He Shang, Janusz Nowak, Ronnie Jansen, and Jaga- deesh S. Moodera, Phys. Rev. B 58, R2917 (1998). 22. J. Soulen, J.H. Byers, M.S. Osofsky, B. Nadgorny, T. Amb- rose, S.F. Cheng, P.R. Broussard, C.T. Tanaka, J. Nowak, J.S. Moodera, A. Barry, and J.M.D. Coey, Science 282, 85 (1998). 23. Jingping Wang, Ping Che, Jing Feng, Minfeng Lu, Jianfen Liu, Jian Meng, Yuanjia Hong, and Jinke Tang, J. Appl. Phys. 97, 073907 (2005). 24. R.K. Zheng, Hui Liu, Y. Wang, and X.X. Zhang, Appl. Phys. Lett. 84, 702 (2004). Resistive and magnetoresistive properties of compacted CrO2 powders with different types of intergranular dielectric layers N.V. Dalakova, B.I. Belevtsev, E.Yu. Beliayev, A.N. Bludov, V.N. Pashchenko, M.G. Osmolovsky, and O.M. Osmolovskaya Resistive, magnetoresistive and magnetic proper- ties of four kinds of pressed powders of CrO2, synthe- Н.В. Далакова и др. 1432 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2012, т. 38, № 12 sized from chromic anhydride by the hydrothermal method were investigated. The new synthesis method allows the thickness of dielectric shells to be con- trolled. The powders consisted of particles (≈ 120 nm in dia.) or acicular crystals (≈ 22.9 nm in dia. and 302 nm in length). All the particles were covered with a surface dielectric shell of different thickness and types (e.g. β-CrOOH oxyhydroxide or chromium ox- ide Cr2O3). The influence of properties and thickness of intergranular dielectric layers as well as shapes of CrO2 particles on tunnel resistance and magnetoresis- tance (MR) of the pressed powders was studied. It was found that at low temperatures all the samples studied displayed a nonmetallic temperature dependence of re- sistance and a giant negative MR. Maximum values of MR at T ≈ 5 K were ≈ 37% in rather low fields (0.5 T). As temperature was increased, MR decreased rapidly (down to ≈ 1% in field 1 T at T ≈ 200 K). At low tem- peratures the powders with acicular particles exhibited a new type of MR hysteresis and nonmonotonic de- pendence of MR with increasing magnetic field (a maximum). A nonmonotonic temperature dependence Hp(T), where Hp being a field in which the resistance is maximal, discrepancies in the values of Hp and co- ercive force Hc, and anisotropy of MR as a function of mutual orientation of transport current and magnetic field were observed. PACS: 75.47.Gk Colossal magnetoresistance; 75.47.Lx Magnetic oxides; 71.30.+h Metal–insulator transitions and other electronic transitions. Keywords: chromium dioxide, hydrothermal synthe- sis, granular magnetic materials, tunneling magneto- resistance.

Резистивные и магниторезистивные свойства прессованных порошков CrO₂ с различными типами межгранульных диэлектрических прослоек

Institution

Ähnliche Einträge