І
Содержание
Введение
Список сокращений
Глава 1. Литературный обзор.
§1.1. Магнетизм соединений редкоземельных (РЗ) элементов с металлической проводимостью.
§1.2. Квантовое критическое поведение в окрестности антиферромагнитной неустойчивости.
§1.3. Структура и свойства редкоземельных додекаборидов и некоторых цериевых интерметаллидов. Глава 2. Методика эксперимента.
§2.1. Синтез и характеризация образцов.
§2.2. Установка для измерений коэффициента Холла и магнитосопротивления.
§2.3. Погрешности измерений.
Глава 3. Гальваномагнитные характеристики соединений с тяжелыми фермионами СеСііб-хАііх, СеА13.
§3.1. Удельное сопротивление соединений СеСиб-хАих, СеА13. §3.2. Магнитосопротивление соединений СсСиб.хАих, СеА13. §3.3 Эффект Холла в соединениях СеСііб-хАих, СеА13.
§3.4. Обсуждение результатов.
Глава 4. Гальваномагнитные характеристики редкоземельных додекаборидов НВц (К - Но, Ег, Тш, Ьи).
§4.1. Удельное сопротивление соединений КВ 12 (Я — Ыо, Ег, Тш, Ьи).
§4.2. Магнитосопротивление соединений ЯВі2 (Я - Но, Ег, Тш, Ьи).
§4.3. Эффект Холла в соединениях ЯВі2 (Я — Но, Ег, Тш, Ьи). §4.4. Обсуждение результатов.
61/
3
8
9
18
28
37
38 41
43
43
45
53
91
94
103
110
Выводы 141
Заключение 143
Публикации но теме диссертации 144
Цитируемая литература 147
2
Введение.
Одним из перспективных направлений развития физики конденсированного состояния вещества и физического материаловедения является изучение свойств соединений на основе редкоземельных (РЗ) элементов. Интерес к РЗ соединениям обусловлен, в частности, особенностями их энергетического спектра, в котором близкими по энергии оказываются состояния зоны проводимости типа и локализованные 4/-орбитали РЗ иона, и, в результате,, становятся возможными переходы между различными зарядовыми и спиновыми конфигурациями. В ряде случаев такие переходы приводят к частичной дслокализации 4/-состояний, вследствие чего среднее число ^электронов на центр (а, вследствие этого и валентность иона) становится нецелочисленным. Кроме того, быстрые флуктуации электронной плотности происходят между магнитными и немагнитными состояниями РЗ ионов, и, таким образом, магнитные свойства подобных объектов оказываются зависящими от быстрых спиновых флуктуаций. Указанные флуктуации зарядовой и спиновой плотности в РЗ соединениях оказываются причиной перенормировки плотности электронных состояний на уровне Ферми, возникновения тяжелых носителей заряда (тяжелых фермионов), и, как следствие, появления низкотемпературных аномалий термодинамических и транспортных характеристик этих объектов [1-5]. Среди особенностей физических свойств РЗ соединений отмечается необычный для металлических систем значительный рост с понижением температуры коэффициента Холла, резкое уменьшение удельного сопротивления в магнитном поле и др., а также, в ряде случаев, формирование сложного магнитного основного состояния [1-5].
В последнее время дополнительный интерес к этой области исследований связан с изучением квантовых критических явлений. В частности, сравнительно недавно был обнаружен режим
3
“нефермижидкостного поведения” в окрестности квантовой критической точки (ККТ). К числу проявлений такого режима обычно относятся логарифмическая расходимость электронной теплоемкости С~/пГ, отличное ОТ кюри-вейсовского поведение магнитной восприимчивости с
показателем степени /?<1, не квадратичная температурная зависимость удельного сопротивления вида р=ро+Та, где 1<а<2 и др. Низкотемпературные эффекты, характеризующие формирование немагнитного основного состояния, не описываемого в рамках теории Ферми - жидкости Ландау. Наблюдаемые вблизи ККТ квантовые критические явления составляют новую бурно развивающуюся область физики конденсированного состояния вещества и физического материаловедения. В настоящее время установлено, что среди объектов, относящихся к системам с нефсрмижидкостным поведением и располагающихся в широкой окрестности квантовой критической точки, находится значительное количество РЗ соединений с тяжелыми фермионами, сильно коррелированных электронных систем, в которых наиболее ярко проявляются перечисленные выше аномальные свойства. Тесная взаимосвязь физики РЗ соединений и квантовых критических явлений заставляет по новому взглянуть на механизмы, ответственные за аномалии физических характеристик и формирование необычного основного магнитного/немагнитного состояния. Поэтому, несмотря на полувековую историю, вопрос об учете эффектов сильных электронных корреляций в этих соединениях вплоть до настоящего времени остается открытым.
Поскольку соединения с тяжелыми фермионами в подавляющем большинстве случаев относятся к системам с металлическим характером проводимости (исключение составляют так называемые Кондо-изоляторы -БтВс» УЬВ]2, Се3Ві4Р(3, РеЗі и др.), одним из наиболее эффективных методов их исследования являются измерения гальваномагнитных характеристик (коэффициент Холла, магнитосопротивлсние и др.)* Именно влияние внешнего магнитного поля на зарядовый транспорт в условиях сильного
4
рассеяния с переворотом спина носителей заряда на локализованных магнитных моментах 4/ - оболочки РЗ ионов оказывается одним из определяющих факторов, позволяющих сделать выбор между различными теоретическими подходами к описанию соединений с тяжелыми фермионами и квантовым критическим поведением.
Отметим также, что исследование магнитотранспорта, как частного случая явлений в магнитном поле, играет существенную роль в определении основного состояния, механизмов рассеяния носителей заряда, а также изучении аномального магнетизма в этих модельных системах.
Среди наиболее ярких, ставших классическими, примеров веществ с сильными электронными корреляциями, характеризующихся, в тоже время, сравнительно простой кристаллической структурой следует отметить соединения СеСщ-хАих, СеЛ13, а также РЗ додекабориды ЯВ!2 (Я-Но, Ег, Тт, Ьи), располагающиеся в непосредственной окрестности соединения с переменной валентностью УЬВ!2. В некоторых из этих соединений реализуется сложное магнитоупорядоченное состояние, которое, вплоть до настоящего времени, является предметом активных дискуссий.
Цель работы.
Целью работы являлось изучение магнитосопротивления (МС) и коэффициента Холла в следующих соединениях:
1. Классические системы с тяжелыми фермионами СеСи^ и СеА13. Основной задачей исследования являлось выяснение механизма формирования тяжелых носителей.
2. Система с квантовым критическим поведением СеСи6.хАих. В этом случае акцент делался на исследовании температурных и полевых зависимостей коэффициента Холла в окрестности квантовой критической точки.
3. РЗ додекабориды ЯВ]2 (Я-Но, Ег, Тт и Ьи). Для этих объектов цель исследования заключалась в выяснении генезиса особенностей
5
магнитотранспорта и их связи с возможными корреляционными эффектами в различных магнитоупорядоченных фазах.
Практическая ценность результатов работы.
Полученные в диссертационной работе результаты способствуют дальнейшему развитию представлений о роли квантовых критических явлений, природе эффектов сильных электронных корреляций, определяющих аномалии физических свойств и особенности формирования сложного основного магнитного/немагнитного состояния соединений с тяжелыми фермионами. Кроме того, возможно применение результатов исследования при разработке новых материалов для электроники, пригодных для изготовления датчиков различного типа.
Научная новизна работы.
1. Впервые обнаружено, что в классических металлических системах с тяжелыми фермионами СеСщ и СеЛ13у коэффициент Холла изменяется с температурой по активационному закону Ян(Т)^(ЕЛвТ).
2. Показано, что в системе с квантовым критическим поведением СеСиб-хЛиХУ наряду с обычным нечетным по магнитному полю вкладом, в холловском сопротивлении возникает аномальная четная по магнитному полю составляющая.
3. Найдено, что компоненты коэффициента Холла в системе с квантовым критическим поведением СеСи6.хЛих обнаруживают аномальное поведение в окрестности ККТ (состав с х=0.1). На концентрационных зависимостях коэффициентов Холла, соответствующих как нечетной, так и аномальной четной компоненте в ККТ (при *“0.1), возникают максимумы, амплитуда которых увеличивается при понижении температуры.
6
4. Впервые проведено исследование магнитотранспорта (эффект Холла, магнитосопротивлеиие) в редкоземельных додскаборидах ЯВ/2.
5. Обнаружено, что максимум на температурной зависимости коэффициента Холла в соединениях ЯВп подавляется магнитным полем, что свидетельствует о существенной роли корреляционных эффектов в генезисе физических свойств этих соединений.
Структура диссертации
Диссертационная работа состоит из Введения, 4 глав, Выводов, Заключения, списка публикаций по теме диссертации и списка литературы, включающего в себя 138 названий.
Глава 1 посвящена краткому обзору литературных данных о структуре и свойствах редкоземельных додекаборидов ЯВ/2 (Я - Но, Ег, Тт, Ьи) и цериевых интерметалл и дов СеСи^Ащ, СеА/3. Кроме того, в этой главе приводится описание квантовых критических явлений.
В главе 2 изложена методика эксперимента.
Глава 3 посвящена исследованию гальваномагнитных характеристик соединений с тяжелыми фермионами СеСщ.хАих, СеА1$.
В главе 4 исследуются гальваномагнитные характеристики редкоземельных додекаборидов ЯВ,2 (Я - Но, Ег, Тт, Ей).
В выводах приводятся основные результаты настоящей работы.
7
Глава 1. Литературный обзор.
§1.1 Магнетизм соединений редкоземельных (РЗ) элементов с металлической проводимостью.
В современной физике конденсированного состояния и физике магнитных явлений одними из наиболее интересных с фундаментальной точки зрения объектов являются металлические системы, содержащие ионы редкоземельных элементов (РЗЭ). Редкоземельный ион обладает внутренней ^/оболочкой, которая заполняется в ряду от Ьа к Ей, соответственно от 4/ до 4/4\ /состояние располагается глубоко в атоме и экранируется от внешних возбуждений 5^^-электронами. Характерный радиус 4/-оболочки /V/ весьма мал и составляет 3-5Л [1], в то время как расстояние между РЗ ионами в рассматриваемых системах принимает значения порядка 3-бА [2]. В результате для соединений РЗЭ прямое перекрытие -/-оболочек оказывается пренебрежимо малым, даже когда /элементы находятся в каждой элементарной ячейке. Плотность упаковки 4/- или 5/- центров, при которой/ оболочки перекрываются, в нормальных условиях недостижима, поэтому прямое обменное взаимодействие между магнитными моментами 4/- или 5/-ионов отсутствует.
В последнее время внимание исследователей привлекает новый класс редкоземельных соединений, где наряду с сохранением во многом своего атомоподобного характера, /оболочка тем не менее теряет свою стабильность. Это связано с частичной гибридизацией зоны проводимости, образованной 5, р, ^/-состояниями, и локализованного /-состояния РЗ-элемента, в результате чего возникает узкий многочастичный резонанс в плотности состояний в окрестности Ер. При этом величина гибридизации определяется характерной энергией взаимодействия
Г«= л- V2 ЩЕ,-), (1)
где V - среднее значение по элементам матрицы перехода, определяющей степень гибридизации локализованного /состояния и зоны проводимости
9
Список сокращений.
РЗ - редкоземельный
РЗЭ - редкоземельный элемент
МС — магнитосопротивление
ОМС - отрицательное магнитосопротивление
ПМС — положительное магнитосопротивление
ККТ - квантовая критическая точка
СТФ - система с тяжелыми фермионами
ЛММ - локализованные магнитные моменты
8
(я, р, с1- состояний), ЩЕр) - плотность электронных состояний на уровне Ферми [3]. В пределе, когда характерная энергия Гц значительно меньше энергии связи Еу невозмущенного /-состояния Гя « Е4/у вследствие чего гибридизацией 4/-состояний с электронами 4'/ зоны проводимости можно пренебречь, система характеризуется полной локализацией /состояния и установлением дальнего магнитного порядка при низких температурах. В противоположном случае Гк > Еу реализуется сильная гибридизация / состояний и зоны проводимости, приводящая к быстрым флуктуациям электронной плотности между локализованной 4/оболочкой РЗ-ионов и зоной проводимости, и, соответственно, к формированию узкого многочастичного резонанса в плотности состояний на уровне Ферми [4,5]. Отметим, что значение плотности состояний ЩЕр) в этих соединениях превышает соответствующие значение для обычных металлов на два-три порядка. Так как в режиме Гк > Е4/ в результате быстрых флуктуаций электронной плотности среднее количество электронов на центр (валентность РЗ-иона) становится нецелочисленным, этот класс соединений РЗЭ получил название соединений с переменной (промежуточной) валентностью [4].
Состояния с промежуточной валентностью обладают целым рядом уникальных свойств. При изменении внешних условий (температуры, давления, состава) в них могут происходить фазовые переходы, имеющие чисто электронную природу и обусловленные изменением заполнения электронных уровней. Эти переходы, как правило, оказываются изоморфными ('то есть не сопровождаются изменением симметрии решетки); в ряде случаев они являются переходами металл — диэлектрик. Кроме того для таких переходов характерно резкое изменение магнитных свойств (исчезают локализованные магнитные моменты), т. е. эти переходы являются переходами типа «магнитное - немагнитное состояние». Состояния с промежуточной валентностью проявляют резкие аномалии практически в любой экспериментально измеряемой характеристике: в решеточных
10
свойствах (аномальная сжимаемость), в теплоемкости (аномально большой коэффициент линейной теплоемкости), в магнитной восприимчивости, в транспортных свойствах, и, особенно, в электропроводности [4].
Наличие высокой концентрации электронов проводимости в соединениях РЗЭ с металлической проводимостью приводит к возникновению двух конкурирующих механизмов взаимодействия в системе магнитных моментов и коллективизированных 5- и У- электронов [1]. Первый - механизм косвенного РККИ обменного взаимодействия локализованных магнитных моментов (ЛММ) через яУ-электроны проводимости, второй механизм определяется эффектом Кондо. Рассмотрим вначале косвенное РККИ взаимодействие, природа которого заключается в поляризации локализованными магнитными моментами окружающих их .^-электронов. Вокруг каждого магнитного иона возникают РККИ осцилляции (волна) спиновой плотности ^-электронов. Энергия взаимодействия между ЛММ определяется модулем константы обменного взаимодействия При
упорядочении магнитные моменты соседних ионов дважды взаимодействуют со спинами ^-электронов. В результате энергия РККИ взаимодействия оказывается пропорциональной J(J и обратно пропорциональной кубу расстояния между магнитными ионами. Так как общая энергия РККИ взаимодействия определяется также плотностью ($ +У)- электронов на уровне Ферми, соответствующая ей температура РККИ - упорядочения будет
Тгш, - - ■/>(£,-)*, (2)
где * - концентрация магнитных ионов в единице объема, Я - расстояние между магнитными ионами. Константа ./<*, в свою очередь, зависит от степени гибридизации /- и ьс1- состояний и положения 4/ - уровня % относительно уровня Ферми Ер. Таким образом, под действием косвенного обменного взаимодействия в системе непосредственно не взаимодействующих магнитных моментов при температурах ниже ТРККИ должен установиться антиферромагнигный (У^ < О) или ферромагнитный (У«*
И
> 0) порядок, или же состояние спинового стекла при знакопеременных значениях /«(-Я).
При обсуждении и оценке роли прямого обмена и механизма косвенного обменного РККИ взаимодействия ЛММ РЗ ионов через электроны проводимости следует отметить также, что обычно из числа основных источников магнитного взаимодействия в РЗ магнетиках можно исключить спин - орбитальное и диполь - дипольное взаимодействия [6]. При этом диполь - дипольное взаимодействие между ЛММ РЗ ионов в этих соединениях оказывается малым вследствие того, что расстояние между соседними РЗ ионами существенно больше, чем радиус 4/- оболочек. Приближенная оценка температуры магнитного упорядочения, обуславливаемого диполь — дипольным взаимодействием между ближайшими РЗ ионами может быть получена из формулы
м _ + 0
4л£„Я3 ’ * }
где /л0 - магнитная проницаемость в вакууме, г - координационное число, & - фактор Ланде, 3 — полный магнитный момент Г электронов, а ~ 3 - 6 А -расстояние между РЗ ионами.
Перейдем теперь к рассмотрению второго механизма - эффекта Кондо. Модель Кондо (см., например [7]), была предложена в 1964 году для описания рассеяния электронов проводимости на ЛММ примесей в металле. В результате антиферромагнитного характера взаимодействия ЛММ ионов примеси и электронов проводи мости, соответствующее сечение рассеяния зонных состояний эффективно растет при понижении температуры, при этом в интервале Т < Тк (Тк- температура Кондо) наблюдается экранировка спина примеси электронами проводимости. В модели Кондо энергия связи электронов проводимости и ЛММ примеси У зависит от степени гибридизации/- и зонных состояний [8|:
12
- Київ+380960830922