Эффекты гигантского магнетосопротивления.

Эффект гигантского магнетосопротивления (ГМС) у кластеров заключается в огромном уменъшении сопротивления кла- стерного материала при помещении его в магнитное поле (на l000%), в то время как магнетосопротивление массивного образца изменяется незначительно (например, сопротивле- ние пермаллоя 80% Ni — 20% Fe возрастает в магнитном поле на 3 %)[9]. Эффекты ГМС наблюдали при изучении магнитных свойств различных металлических и оксидных нано систем, причем механизмы возникновения ГМС у нанокристаллических металлов и оксидов металлов различны.

Магнитные нанокластеры получают растворением одно- го металла (например, Fe или Со) в матрицы другого (пpoводящего) металла (например, Си или Ag), причем эти два компонента должны плохо растворяться друг в друге. В наносистеме, состоящей из проводящей металлической матрицы и магнитных кластеров, происходит рассеяние электронов проводимости металлической матрицы на магнитных моментах кластеров. При наложении магнитного поля на образец направление магнитных моментов кластеров изменяется, что приводит к изменению их взаимодействия с электронами проводимости металлической матрицы, т.е. к изменению проводимости. Величина эффекта ГМС будет определяться соотношением между длиной свободного пpoбега электрона (L) и расстоянием между соседними магнитными кластерами, которое зависит от концентрации растворенного металла. При большой длине свободного пробега электрон претерпевает многочисленные акты рассеяния прежде, чем он вступит во взаимодействие с магнитным кластером (при этом направление магнитного момента кластера не влияет на электронное рассеяние, и ГМС отсутствует). Если же длина свободного пробега достаточно мала, магнитные кластеры могут участвовать в перколляционных процессах матрицы и сильно взаимодейтствовать друг с другом, что также приводит к исчезновению ГМС.

Для системы, состоящей из кластеров Со, растворенных в матрице Ag , изменение концентрации Со от 10 до 50% сопровождается значительным изменением электрического сопротивления кластеров в магнитном поле (рис.3). Максимальный эффект наблюдается при концентрации Со 20%, что связывают с оптимальным размером кластеров Со в матрице Ag. Эффект ГМС возрастает при понижении температуры[10].

Для объяснения возникновения ГМС используют двухтоковую модель. Согласно этой модели в разориентированной системе рассеяние электрона на магнитном моменты кла- стера эквивалентно в двух направлениях (например, вверх и вниз). В упорядоченной с помощью магнитного поля системе одно из направлений, а именно вдоль поля, обладает меньшим сопротивлением, чем другое, что ведет к суммарному уменьшению сопротивления. Изменение сопротивления (Ар) коррелирует с изменением размера магнитного кластера (Ј).

Рис3

Наносистемы, в состав которых входят магнитные кластеры, могут быть перспективны для управления магнитным полем клапанов проводимости. Модельная система с эпитаксиально нанесенными нанопленками Co(2.5 нм) — Си(2.2 им) с включением прослойки в виде монослоя Pb показала высокую чувствительность к относительно слабым полям (до 0.05 Тл)[11], что представляет интерес для практического использования.

Еще более значительный эффект (уменьшение сопротивления на несколько порядков) наблюдался для перовскитных структур манганитов. Это — керамические образцы, и, на первый взгляд, в них трудно выделить наноструктуру. Однако, как будет показано далее, для интерпретации результатов измерения магнитных характеристик в таких системах привлекают кластерные модели. Результаты исследований пленок La на подложках LaAl приведены на рис. (4). В манганите, в отличие от металлов и сплавов, ГМС наблюдается не во всей области температур измерения, а только вблизи фазового перехода из полупроводникового в металлическое состояние (при Т —— 220 К)[12]. Наибольший эффект ГМС при включении магнитного поля в близи точки перехода в металлическое состояние.

В то же время температурная зависимость магнитного момента манганита свидетельствует о том, что резкий магнитный фазовый переход при Т = 190 — 220 К отсутствует, и намагниченность уменьшается от максимальной величины насыщения при Ма 100 эме - г (при комнатной температуре)[13]. Это свидетельствует о том, что основное влияние на возникновение ГМС оказывает фазовый переход полупроводник — металл, а не магнитный фазовый переход.

Рис4

Величина ГМС чувствительна к температуре отжига и концентрации кислорода. Так, измерения ГМС для пленки, приготовленной при 640’C, дали размыты пик ГМС с максимумом Ap/p = 500% при Т —— 100 К; для пленки, отожженной при 700’C в атмосфере О в течение 0.5 ч, наблюдали пик Ap/p = l 400% при Г 200 К; дальнейшее повышение температуры отжига до 900’C привело к смещению максимумаbр р в область Г = 280 К. Гигантское магнетосопротивление, наблюдаемое у керамик, безусловно, найдет практическое применение[14].

Мёссбауэровские спектры рассмотренного керамического образца

Температура, К: 78 (с), 100 (с), 120 (с), 150 (с), 185 (с.) рис5

Рис5

Данные по неупругому рассеянию нейтронов (HPH) свидетельствуют о том, что при низких температурах данное вещество ферромагнитно, однако при повышении темпера- туры в спектрах HPH появляется неупругая компонента, которая начинает доминироватъ при подходе к точке пepeхода керамики из металлического в парамагнитное состояние (Т —— 250 К)[16]. Этот результат позволяет предположить, что ГМС в области перехода керамики из полупроводникового в металлическое состояние возникает за счет появления флуктуирующих областей наноразмера, обладающих ферро- магнитным упорядочением. Размер этих областей увеличивается с понижением температуры. Увеличение размера области перехода керамики из парамагнитного в металлическое состояние сопровождается возрастанием времени cyпepпарамагнитной релаксации и конечным переходом в магнетоупорядоченное, ферромагнитное состояние. Температурный интервал, в котором происходит этот магнитный пepeход растянут на десятки градусов, но именно в нем за счет изменения времени релаксации магнитного момента, рас- стояния между флуктуирующими кластерами и их размеров происходит изменение рассеяния электронов проводимости и возникает эффект ГМС (при температурах ниже температуры фазового перевода ферромагнитные нанообластиметаллическая электропроводимость).