Регистрация / Вход
Прислать материал

Фазовые равновесия в системе Zn3As2-MnAs

ФИО: Васильев П.Н.

Направление: Материаловедение

Научный руководитель: д.х.н., проф. Маренкин С.Ф.

Институт: Институт новых материалов и нанотехнологий

Кафедра: Кафедра Технологии материалов электроники

Академическая группа: ММК-14-1

Сплавы арсенидов цинка и марганца рассматриваются как перспективные материалы гранулированных структур, обладающих эффектом гигантского магнитосопротивления [1]. Интерес к гранулированным структурам определяется возможностями их использования в спинтронике [2].

Сплавы арсенидов цинка и марганца изучались как магнитные материалы в работах [3,4,5]. В этих работах они рассматривались как твердые растворы составов (Zn1-xMnx)3As2 в интервале концентраций 0≤х≤0,13. Температурные зависимости намагниченности этих сплавов, представленные в работе [4], характерны для суперпарамагнетиков [6]. Из кривых можно выделить парамагнитные и ферромагнитные составляющие. Введение атомов d-элементов, в частности марганца, в полупроводник приводит к переходу полупроводника из диамагнитного в парамагнитное состояние. Наличие ферромагнетизма в (Cd1-xMnx)3As2, изоструктурном (Zn1-xMnx)3As2, авторы [7] объясняют кластерами марганца. На наш взгляд более убедительным является то, что исследованные образцы являлись неоднородными, содержащие кроме твердого раствора (Zn1-xMnx)3As2 нановключения MnAs. Магнитные свойства этих нановключений определяют наличие спада на кривых намагниченности вблизи 300 К [8,9].

Представляло интерес продолжить изучение сплавов арсенидов цинка и марганца, в частности, установить характер взаимодействия в системе Zn3As2-MnAs.

Методика и результаты эксперимента

Образцы для исследования фазовой диаграммы были приготовлены с интервалом 10% MnAs. В качестве исходных компонентов были синтезированы Zn3As2 и MnAs. Синтез Zn3As2 и MnAs.проводили вакуумно-ампульным методом из высокочистых Zn, As и Mn, взятых соответственно в стехиометрическом соотношении [10]. Получение проводили в двойных кварцевых ампулах, при этом реактивы помещались во внутреннюю ампулу, покрытую пиролитическим углеродом для предотвращения взаимодействия с расплавами. Процесс проводили в печи с автоматической регулировкой температуры, при этом ампулы помещались в изотермическую часть печи. Температурно-временной режим синтеза был следующий: нагрев со скоростью 50º/ч до 600ºС и выдержка при этой температуре в течение двух суток; потом температура при синтезе Zn3As2 повышалась до 1015ºС, а для MnAs до 950ºС, после чего их расплавы для лучшей гомогенизации выдерживались не менее трех часов. На последнем этапе синтеза, ампулы охлаждались в режиме выключенной печи. После синтеза Zn3As2 и MnAs идентифицировали с помощью РФА. Образцы для исследования фазовой диаграммы были приготовлены из Zn3As2 и MnAs с интервалом 10% MnAs и были исследованы с помощью порошковой дифрактометрии, дифференциально-термического анализа и сканирующей электронной микроскопии.

РФА проводился на дифрактометре Bruker D8 ADVANCE (CuKα-излучение (λ=0,1540 нм), графитовый монохроматор), фазы идентифицировались с помощью базы порошковых дифрактометрических данных ICDD PDF-2 в программных средах Diffrac.Suite EVA и Topaz в центре коллективного пользования Института общей и неорганической химии РАН. Согласно РФА дифракционные картины содержали пики соответствующие фазам Zn3As2 и MnAs. На отдельных дифрактограммах наблюдались слабые пики ZnAs2. На рис.1 представлены дифракционные картины, относящиеся к эталону Zn3As2[11] (рис.1а), к Zn3As2, синтезированного в данной работе и использовавшего в качестве прекурсора, при синтезе промежуточных составов системы Zn3As2 – MnAs (рис.1б). На рис 1г. и рис 1д. представлены дифракционные картины MnAs соответственно для эталона [12] и синтезированного в данной работе MnAs.

Рисунок 1 – Дифрактограммы Zn3As2 [11] (а), Zn3As2 100% (б), Zn3As2 50% – MnAs 50% (в), MnAs 100% (г) и MnAs [12] (д)

Дифрактограмма образца состава 50% Zn3As2 – 50% MnAs (рис. 1в), как видно, для нее характерны пики относящиеся как к Zn3As2 так и MnAs. Сравнение дифракционных картин при больших углах, указывает на взаимную растворимость Zn3As2 и MnAs.

Результаты микроструктурного и дифференциально-термического анализов подтверждали эвтектический тип диаграммы системы Zn3As2–MnAs (рис. 2).

Все синтезированные сплавы системы Zn3As2 – MnAs, за исключением образца 90% Zn3As2 и 10% MnAs были ферромагнетиками с температурой Кюри ~ 320К. Величина намагниченности в них возрастала с увеличением содержания MnAs.

Рисунок 2 – Диаграмма состояния системы Zn3As2 – MnAs

Выводы

С помощью рентгенофазового, дифференциально-термического анализов, и сканирующей электронной микроскопии была исследована система Zn3As2 – MnAs. Образцы были синтезированы вакуумно-ампульным методом. Система относится к эвтектическому типу с координатами эвтектики 60 мол. % MnAs и Тк=735 ºС. Полученные дифракционные кривые указывают на растворимость арсенида марганца в диарсениде цинка с границей растворимости не превышающей 10 вес. % . Все образцы, за исключением образца с 90% Zn3As2 – 10% MnAs, были ферромагнитными с Тк ~ 320К. Намагниченность возрастала с ростом содержания MnAs