магнитный ванадиевый дисульфид хрома-меди с гигантским магнитосопротивлением
Классы МПК: | C01G3/12 сульфиды C01G37/00 Соединения хрома C01G31/00 Соединения ванадия G11B5/39 с использованием магниторезистивных приборов |
Автор(ы): | Абрамова Галина Михайловна (RU), Петраковский Герман Антонович (RU), Киселев Николай Иванович (RU), Альмухаметов Рафаил Фазыльянович (RU) |
Патентообладатель(и): | Институт физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения РАН (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2006-03-09 публикация патента:
20.05.2008 |
Изобретение относится к разработке новых сульфидных соединений с особыми магнитоэлектрическими свойствами, которые могут быть использованы в микроэлектронике. Магнитный ванадиевый дисульфид хрома-меди с гигантским магнитосопротивлением включает серу, ванадий, хром и медь при следующем соотношении компонентов, атом.%: ванадий 0,1-3,4, хром 13,6-16,9, медь 16-17, сера 66-67. Изобретение позволяет получить вещество, обладающее высоким значением намагниченности и гигантским отрицательным магнитосопротивлением в диапазоне температур 77-160 К, 2 табл., 2 ил.
Формула изобретения
Магнитный ванадиевый дисульфид хрома-меди с гигантским магнитосопротивлением, включающий серу, отличающийся тем, что дополнительно содержит ванадий, хром и медь при следующем соотношении компонентов, ат.%:
Ванадий | 0,1-3,4 |
Хром | 13,6-16,9 |
Медь | 16-17 |
Сера | 66-67 |
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к разработке новых сульфидных соединений с гигантским магнитосопротивлением (с особыми магнитоэлектрическими свойствами), которые могут быть использованы для нужд микроэлектроники.
Известны оксидные соединения марганца типа La 1-xAxMnO3 (A=Ca, Sr, Pb и т.д.; 0<х 0,4) и способы их получения [Нагаев Э.Л. Манганиты лантана и другие магнитные полупроводники с гигантским магнитосопротивлением [УФН. - 1996. - Т.166, №8. - С.796-857], которые имеют кристаллическую структуру перовскита, являются полупроводниками и претерпевают при температуре перехода ферромагнетик-парамагнетик в области T180÷200 К эффект гигантского магнитосопротивления (ГМС), лежащий в основе микроэлектронных устройств. Данные вещества в виде порошков готовились методом осаждения из растворов, затем порошки прессовали при комнатной температуре и отжигали в токе кислорода при 1200°С в течение 12 часов.
Недостатком указанных веществ является высокая стоимость входящих в их состав редкоземельных элементов и реализация эффекта ГМС в узком температурном интервале вблизи температуры магнитного перехода.
Известны также катион-замещенные сульфиды европия с гранецентрированной кубической решеткой [Метфессель З., Маттис Д. Магнитные полупроводники. М.: Мир. 1972 - 405 с], которые в интервале температур 4,2-40 К являются ферромагнитными полупроводниками и претерпевают эффект гигантского магнитосопротивления (ГМС) при температуре перехода ферромагнетик-парамагнетик в области Т=40 К. Недостатком сульфидов европия является присутствие редкоземельных элементов в составе сульфида и низкие значения температуры, при которой имеет место гигантское магнитосопротивление.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности является ферромагнитный железомарганцевый сульфид FexMn1-xS [патент РФ №2256618. Бюл. №20 от 20.07.2005, (прототип)], содержащий компоненты при следующем соотношении, атом. %: Fe - 12,5-20; Mn 30-37,5 и S - 50 и имеющий кубическую структуру NaCl-типа (фиг.1а).
Недостатком известного ферромагнитного железомарганцевого сульфида является высокое содержание (50 атом.% от общего атомного веса вещества 100 атом.%) дорогостоящих металлов (железо, марганец), трехмерная кристаллическая структура вещества (кубическая решетка NaCl-типа). При катионном замещении в кристаллической структуре этих соединений атомы замещения располагаются хаотически в узлах трехмерной решетки.
Техническим результатом данного изобретения является получение дешевых ванадиевых дисульфидов хрома и меди с гигантским магнитосопротивлением.
Технический результат достигается тем, что магнитный ванадиевый дисульфид хрома-меди с гигантским магнитосопротивлением, включающий серу, дополнительно содержит ванадий, хром и медь при следующем соотношении компонентов, атом.%:
Ванадий | 0,1-3,4 |
Хром | 13,6-16,9 |
Медь | 16-17 |
Сера | 66-67. |
Магнитный ванадиевый дисульфид хрома-меди получен на основе дешевого дисульфида хрома-меди, относящегося к интеркалированным слоистым веществам, содержит 33-34 атом.% металлов от общего атомного веса вещества и отличается от прототипа качественным и количественным содержанием химических элементов.
На фиг.1 представлены схемы кристаллической структуры для прототипа (а) и магнитного ванадиевого дисульфида хрома-меди (b). На фиг.1b: 1 - S, 2 - Cr, 3 - Cu, 4 - вакансия. На фиг.2а представлена кривая намагничивания магнитного ванадиевого дисульфида хрома-меди с составом II (табл.1) в полях до 20 кЭ при температуре 77 К, она нелинейная, имеет полевой гистерезис и свидетельствует о том, что синтезированное вещество при температуре 77 К является ферромагнетиком.
На фиг.2b представлены температурные зависимости магнитосопротивления.
Для экспериментальной проверки заявляемого вещества были подготовлены три состава, которые приведены в таблице 1, в атомных %. В состав шихты ванадиевых дисульфидов хрома-меди CuVx Cr1-xS2 в качестве исходных компонент входили электролитические мелкодисперсные порошки хрома (чистоты 99,999%), ванадия (чистоты 99,99%), меди (чистоты 99,99%) и серы (чистоты 99,999%).
Таблица 1 | ||||
Состав | V | Cr | Cu | S |
I | 0,1% | 16,9% | 17% | 66% |
II | 1,7% | 15,3% | 16,5% | 66,5% |
III | 3,4% | 13,6% | 16% | 67% |
Компоненты брались в соответствующих количествах (таблица 1), просушивались и помещались в кварцевые ампулы. Ампулы с шихтой вакуумировались до остаточного давления 10-3 мм рт.ст. и затем запаивались при помощи кислородной горелки. Вакуумированные ампулы помещались в стакан из нержавеющей стали, в котором находилась окись алюминия. Затем ампулы подвергались медленному нагреву в вертикальной электропечи с силитовыми нагревателями со скоростью 40°С в час до температуры 960°С. При 960°С ампулы выдерживались в течение 7 дней, затем охлаждались с печью. Скорость нагрева и охлаждения задавалась и контролировалась с помощью терморегулятора с программным управлением.
В результате синтеза получались вещества в виде плотных слитков, которые растирались в агатовой ступке до мелкодисперсного порошка для достижения гомогенности вещества. Из полученного порошка при помощи специальной прессформы прессовались бруски в виде параллелепипедов размерами 10×3×5 мм3, которые вновь помещали в кварцевые ампулы специальной формы, затем откачивались, запаивались и отжигались при 1000°С в течение недели. Скорость нагрева ампул при отжиге 40°/час. Полученные образцы были однородными по составу и использовались для измерений.
Из фиг.1, 2 и таблицы 2, где представлены физические характеристики исследуемых образцов, следует, что заявляемое вещество обладает высоким значением намагниченности и гигантским отрицательным магнитосопротивлением в диапазоне температур 77-160 К с максимальным развитием ГМС при температурах 110 К(-60%) в Н=7 кЭ, 77 К (-40%) при Н=7 кЭ. Магнитосопротивление определено по формуле
где (Н=0) - электросопротивление в нулевом магнитном поле,
- электросопротивление в заданном магнитном поле.
Таблица №2 | |||||
CuVxCr1-xS 2 | a, Å | , Гс·см3/г | Еа, эВ | tN, K | H, % |
c, Å | Т=T N, | (Н=7 кЭ, | |||
Н=50 Э | Т=77 К) | ||||
I | 3.48 | 310·10-5 | 0.12 | 40 | 35% |
18.705 | |||||
II | 3.47 | 205·10-3 | 0.07 | 20 | -60% |
18.66 | |||||
III | 3.463 | 290·10-5 | 0.06 | 4,5 | 0 |
18.644 |
где а, Å и с, Å - параметры кристаллической решетки;
, Гс·см3/г - намагниченность;
Еа, эВ - энергия активации;
TN , К - температура Нееля;
H, % - магнитосопротивление.
Использование заявляемого изобретения позволит:
- разрабатывать элементы микроэлектроники на основе эффекта ГМС;
- сократить финансовые затраты на изготовление материалов с ГМС;
- разрабатывать элементы микроэлектроники на основе слоистых интеркалированных структур.
Класс C01G37/00 Соединения хрома
Класс C01G31/00 Соединения ванадия
Класс G11B5/39 с использованием магниторезистивных приборов