[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

RU2436859C2 - Semi-conducting ferrimagnetic material - Google Patents

Semi-conducting ferrimagnetic material Download PDF

Info

Publication number
RU2436859C2
RU2436859C2 RU2010107761/02A RU2010107761A RU2436859C2 RU 2436859 C2 RU2436859 C2 RU 2436859C2 RU 2010107761/02 A RU2010107761/02 A RU 2010107761/02A RU 2010107761 A RU2010107761 A RU 2010107761A RU 2436859 C2 RU2436859 C2 RU 2436859C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
gallium
mgfe
semiconductor
composition
temperature
Prior art date
Application number
RU2010107761/02A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2010107761A (en
Inventor
Валерий Александрович Кецко (RU)
Валерий Александрович Кецко
Георгий Донатович Нипан (RU)
Георгий Донатович Нипан
Александр Иванович Стогний (BY)
Александр Иванович Стогний
Алексей Валентинович Труханов (BY)
Алексей Валентинович Труханов
Владимир Анатольевич Ермаков (RU)
Владимир Анатольевич Ермаков
Мария Алексеевна Копьева (RU)
Мария Алексеевна Копьева
Татьяна Николаевна Кольцова (RU)
Татьяна Николаевна Кольцова
Любовь Владимировна Елесина (RU)
Любовь Владимировна Елесина
Эдуард Николаевич Береснев (RU)
Эдуард Николаевич Береснев
Николай Тимофеевич Кузнецов (RU)
Николай Тимофеевич Кузнецов
Original Assignee
Учреждение Российской Академии Наук Институт Общей И Неорганической Химии Им. Н.С. Курнакова Ран (Ионх Ран)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Учреждение Российской Академии Наук Институт Общей И Неорганической Химии Им. Н.С. Курнакова Ран (Ионх Ран) filed Critical Учреждение Российской Академии Наук Институт Общей И Неорганической Химии Им. Н.С. Курнакова Ран (Ионх Ран)
Priority to RU2010107761/02A priority Critical patent/RU2436859C2/en
Publication of RU2010107761A publication Critical patent/RU2010107761A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2436859C2 publication Critical patent/RU2436859C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Compounds Of Iron (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

FIELD: metallurgy.
SUBSTANCE: semi-conducting ferrimagnetic material is distinguished with constant value of saturation magnetisation at change of induction of magnetic field and contains iron, gallium and magnesium. It corresponds to homogenous solution of iron, gallium and magnesium oxides and has a formula: Mg(Fe1-xGax)2O4, where x=0.05÷0.25. Homogeneity of solution is achieved with a method of self-propagating high temperature synthesis, while successive annealing of produced fine-dispersed amorphous material at temperature 1223÷1273 K and its cooling results in production of homogenous material with spinel structure.
EFFECT: production of semi-conducting ferrimagnetic material possessing constant value of saturation magnetisation at change of induction of magnetic field.
6 dwg, 1 tbl, 4 ex

Description

Изобретение относится к материалам на основе оксидов металлов, конкретно к гомогенным поликристаллическим материалам на основе сложных оксидов металлов, конкретно к классу разбавленных спинориентированных магнетиков, обладающих полупроводниковыми и ферримагнитными свойствами, а также высокой термической стабильностью продукта.The invention relates to materials based on metal oxides, specifically to homogeneous polycrystalline materials based on complex metal oxides, specifically to a class of diluted spin-oriented magnets having semiconductor and ferrimagnetic properties, as well as high thermal stability of the product.

Изобретение может быть использовано в спинтронике, в которой ведущая роль принадлежит не только электрической характеристике, но и квантово-механической, такой как спин электрона.The invention can be used in spintronics, in which the leading role belongs not only to the electrical characteristic, but also to a quantum-mechanical one, such as the electron spin.

Развитие спинтроники в значительной мере сдерживается отсутствием подходящих материалов, удовлетворяющих следующим основным критериям:The development of spintronics is largely constrained by the lack of suitable materials that satisfy the following basic criteria:

- постоянной величиной намагниченности, прямоугольной петлей гистерезиса и небольшой коэрцитивной силой при изменении индукции магнитного поля;- a constant magnitude of magnetization, a rectangular hysteresis loop and a small coercive force when changing the magnetic field induction;

- сохранению намагниченности насыщения при температурах выше 293 К;- conservation of saturation magnetization at temperatures above 293 K;

- простоте и надежности методик синтеза материалов, возможности их конструкционного включения в стандартные полупроводниковые схемы.- simplicity and reliability of methods for the synthesis of materials, the possibility of their structural inclusion in standard semiconductor circuits.

Магнитные полупроводниковые материалы принято подразделять на следующие классы: Концентрированные магнитные полупроводники (КМП); Полумагнитные полупроводники (ПМП); Неоднородные магнитные материалы (НММ); Разбавленные магнитные полупроводники (РМП) и Высокотемпературные ферромагнитные полупроводники (ВТФП) [В.А.Иванов и др. Спинтроника и спинтронные материалы. Известия РАН, серия Химическая, 2004, №11, 2255-2303].Magnetic semiconductor materials are usually divided into the following classes: Concentrated magnetic semiconductors (CMC); Semi-magnetic semiconductors (PMF); Inhomogeneous magnetic materials (NMM); Diluted magnetic semiconductors (RMP) and High-temperature ferromagnetic semiconductors (VTFP) [V.A. Ivanov et al. Spintronics and spintron materials. Russian Academy of Sciences, Chemical Series, 2004, No. 11, 2255-2303].

КМП, к которым относится EuO, Cr-халькогенидные шпинели MeCr2Xal4, сложные оксиды BiMnO3, CeCuO3, YTiO3, а также пниктиды Mn(Cr)As(Sb) не получили практического применения из-за низких температур Кюри и технологических требований чистоты, предъявляемых к материалам электроники. Эти же причины плюс нестабильность препятствуют практическому использованию ПМП, получаемых на основе матриц AIIBVI и AIVBVI (AII - Zn, Cd, Hg; AIV - Pb, Sn; BVI - S, Se, Te), CdMnSe, PbSnMnTe, в которых ионы переходного металла Fe2+, Mn2+ или Co2+ хаотически замещают A-элементы в узлах кристаллической решетки.CMPs, which include EuO, Cr-chalcogenide spinels MeCr 2 Xal 4 , complex oxides BiMnO 3 , CeCuO 3 , YTiO 3 , and pnictides Mn (Cr) As (Sb) have not received practical application due to low Curie temperatures and technological purity requirements for electronic materials. The same reasons, plus instability, impede the practical use of the PMF obtained on the basis of the matrices A II B VI and A IV B VI (A II - Zn, Cd, Hg; A IV - Pb, Sn; B VI - S, Se, Te), CdMnSe, PbSnMnTe, in which transition metal ions Fe 2+ , Mn 2+, or Co 2+ randomly replace A-elements at the sites of the crystal lattice.

РМП представляют собой материалы, в которых в качестве матриц используют полупроводники III-V (III - Al, Ga, In; V - P, As, Sb) или II-IV (II - Zn, Cd; IV - Si, Ge, Pb, Sn), в которых атомы металлов II, III, IV групп статистически замещены атомами переходных металлов с незаполненными 3d-электронными оболочками. К числу наиболее изученных РМП относят материал Ga1-xMnxAs с x≤9-10 мас.% [A.M.Nazmul, S.Sugahara and M.Tanaka, Phys. Rev., B, 2003, p.67]. К недостатку этих РМП относят недостаточно высокие значения температур Кюри (до 172 К). Вторым недостатком является рост электросопротивления материала при увеличении содержания марганца, а также высокие значения коэрцитивной силы и отсутствие магнитонасыщения и прямоугольной петли гистерезиса. Известен РМП состава (ZnGa2O4)0,85(Fe3O4)0,15 [A.S.Risbud et. al. Dilute ferromagnetic semiconductors in Fe-substituted spinel ZnGa2O4. J. Phys. Condens. Matter, 2005, v.17, p.1003-1010], недостатком которого является недостаточно высокая температура Кюри (TК близка к 200 К) и большая ширина запрещенной зоны (4.1 эВ). Вторым недостатком является негомогенность материала, что ограничивает его применение.RMPs are materials in which III-V (III - Al, Ga, In; V - P, As, Sb) or II-IV (II - Zn, Cd; IV - Si, Ge, Pb semiconductors are used as matrices , Sn), in which the atoms of metals of groups II, III, and IV are statistically replaced by transition metal atoms with unfilled 3d-electron shells. Among the most studied RMPs are Ga 1-x Mn x As material with x≤9-10 wt.% [AMNazmul, S. Sugahara and M. Tanaka, Phys. Rev., B, 2003, p. 67]. The disadvantage of these RMPs is the insufficiently high Curie temperatures (up to 172 K). The second drawback is the increase in the electrical resistance of the material with an increase in the manganese content, as well as high values of the coercive force and the absence of magnetic saturation and a rectangular hysteresis loop. Known RMP composition (ZnGa 2 O 4 ) 0.85 (Fe 3 O 4 ) 0.15 [ASRisbud et. al. Dilute ferromagnetic semiconductors in Fe-substituted spinel ZnGa 2 O 4 . J. Phys. Condens. Matter, 2005, v.17, p.1003-1010], the disadvantage of which is the insufficiently high Curie temperature (T K is close to 200 K) and the large band gap (4.1 eV). The second disadvantage is the inhomogeneity of the material, which limits its use.

ВТФП представляют собой материалы CdGeP2:Mn2, ZnGeP2:Mn, CdGeAs2:Mn, ZnSiGeN2:Mn с усредненным отношением Mn/Cd или Zn≤20% и температурами перехода в парамагнитное состояние 300÷350 К. Недостатком таких материалов является несовпадение физико-химических характеристик ВТФП с исходными полупроводниковыми матрицами и недостаточно высокие значения температур Кюри. Вторым недостатком материалов этого класса является зависимость намагниченности насыщения от величины приложенного внешнего магнитного поля и высокие значения коэрцитивной силы, что накладывает ограничение на использование этих материалов в спинтронике [А.С.Борухович. Физика материалов и структур сверхпроводящей и полупроводниковой спиновой электроники // Екатеринбург, Изд-во УрО РАН, 2004, 175 с.].HTFs are CdGeP 2 : Mn 2 , ZnGeP 2 : Mn, CdGeAs 2 : Mn, ZnSiGeN 2 : Mn materials with an averaged Mn / Cd or Zn≤20% ratio and paramagnetic transition temperatures of 300 ÷ 350 K. The disadvantage of such materials is the mismatch of the physicochemical characteristics of the WTPP with the initial semiconductor matrices and insufficiently high Curie temperatures. The second drawback of materials of this class is the dependence of the saturation magnetization on the magnitude of the applied external magnetic field and the high values of the coercive force, which imposes a limitation on the use of these materials in spintronics [A.S. Borukhovich. Physics of materials and structures of superconducting and semiconductor spin electronics // Ekaterinburg, Publishing House of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 2004, 175 pp.].

НММ представляют собой композиционные материалы, содержащие в качестве матрицы полупроводниковые оксиды и частицы нерастворимых магнитных металлов или оксидов Fe, Co и Ni. Недостатком таких смесей является их гетерофазность и невоспроизводимость магнитных характеристик. Гетерогенность НММ показана на примере композитов на основе оксидов цинка и кобальта Zn1-XCo2+XO, для которых ферромагнетизм обусловлен наличием кластеров кобальта [Jae Hyun Kim et al. Magnetic properties of epitaxially grown semiconducting Zn1-XCoXO thin films by pulsed laser deposition. J. Appl. Phys., 2002, v.92, №10, p.6066-6071], [R.Rode et al. Magnetic semiconductors based on cobalt substituted ZnO. J. Appl. Phys., 2003, v.93, №10, p.7676-7678].HMMs are composite materials containing as a matrix semiconductor oxides and particles of insoluble magnetic metals or oxides of Fe, Co and Ni. The disadvantage of such mixtures is their heterophase and irreproducibility of magnetic characteristics. The heterogeneity of the NMM is shown by the example of composites based on zinc and cobalt oxides Zn 1-X Co 2+ X O, for which ferromagnetism is due to the presence of cobalt clusters [Jae Hyun Kim et al. Magnetic properties of epitaxially grown semiconducting Zn 1-X Co X O thin films by pulsed laser deposition. J. Appl. Phys., 2002, v. 92, No. 10, p.6066-6071], [R. Rode et al. Magnetic semiconductors based on cobalt substituted ZnO. J. Appl. Phys., 2003, v. 93, No. 10, p. 7676-7678].

Указанные выше классы не охватывают такое важное свойство магнитных полупроводниковых материалов, как постоянство величины намагниченности насыщения при изменении индукции магнитного поля.The above classes do not cover such an important property of magnetic semiconductor materials as the constancy of the saturation magnetization with a change in the magnetic field induction.

Наиболее близким к заявленному материалу является композиционный материал состава Mg(Fe1-XGaX)2O4 класса НММ [Покровский Б.И., Гапеев А.К., Горяга А.Н., Комиссарова Л.Н. Кристаллохимия и магнетизм смешанных галлий- и индийсодержащих ферритов со структурой шпинели Ферримагнетизм // Изд-во МГУ, 1975, 208 с.] (прототип).Closest to the claimed material is a composite material of the composition Mg (Fe 1-X Ga X ) 2 O 4 class NMM [Pokrovsky B.I., Gapeev A.K., Goryaga A.N., Komissarova L.N. Crystal chemistry and magnetism of mixed gallium and indium-containing ferrites with spinel structure Ferrimagnetism // Moscow University Press, 1975, 208 pp.] (Prototype).

К недостаткам прототипа относится гетерогенность материала, что подтверждается зависимостью параметра кристаллической решетки от состава.The disadvantages of the prototype is the heterogeneity of the material, which is confirmed by the dependence of the parameter of the crystal lattice on the composition.

Вторым недостатком материала является ярко выраженная зависимость величины намагниченности насыщения от значения индукции магнитного поля.The second disadvantage of the material is the pronounced dependence of the saturation magnetization on the value of the magnetic field induction.

Третьим недостатком Mg(Fe1-XGaX)2O4 также является крайне высокая температура синтеза, составляющая 1573 К, что накладывает ограничение на использование материала в виде пленок на стандартных полупроводниковых подложках [С.М.ЗИ Физика полупроводниковых приборов. Перевод с английского под редакцией А.Ф.Трутко // М.: Энергия, 1973, 656 с.].The third disadvantage of Mg (Fe 1-X Ga X ) 2 O 4 is also the extremely high synthesis temperature of 1573 K, which imposes a restriction on the use of the material in the form of films on standard semiconductor substrates [S.M. ZI Physics of Semiconductor Devices. Translation from English edited by A.F. Trutko // M .: Energy, 1973, 656 p.].

Технической задачей является изыскание материалов, для которых намагниченность насыщения является постоянной с точностью до 10% в рабочем интервале температур микроэлектроники от -60 до 175°C, которые при этом характеризуются также и высокой температурой Кюри. Это гарантирует надежность проведения технологических процессов изготовления электронных устройств.The technical task is to find materials for which the saturation magnetization is constant with an accuracy of 10% in the operating temperature range of microelectronics from -60 to 175 ° C, which are also characterized by a high Curie temperature. This ensures the reliability of technological processes for the manufacture of electronic devices.

Изобретение направлено на создание магнитного полупроводникового материала нового класса - класса разбавленных полупроводниковых спинориентированных ферримагнетиков (РПСФ), обладающих постоянством величины намагниченности насыщения при изменении индукции магнитного поля.The invention is directed to the creation of a new class of magnetic semiconductor material - a class of diluted semiconductor spin-oriented ferrimagnets (RPSF) with constant saturation magnetization with a change in the magnetic field induction.

Технический результат достигается тем, что предложен полупроводниковый ферримагнитный материал, характеризующийся постоянством величины намагниченности насыщения при изменении индукции магнитного поля, который включает железо, галлий и магний, представляет собой гомогенный раствор оксидов железа, галлия и магния и отвечает формуле:The technical result is achieved by the fact that a semiconductor ferrimagnetic material is proposed, characterized by a constant saturation magnetization with a change in the magnetic field induction, which includes iron, gallium and magnesium, is a homogeneous solution of iron, gallium and magnesium oxides and corresponds to the formula:

Mg(Fe1-XGaX)2O4,Mg (Fe 1-X Ga X ) 2 O 4 ,

где x=0.05÷0.25,where x = 0.05 ÷ 0.25,

при этом гомогенность раствора достигается применением метода самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.wherein the homogeneity of the solution is achieved by using the method of self-propagating high-temperature synthesis.

Под ферримагнитным понимается состояние материала, в котором ориентация спинов магнитных ионов разных магнитных подрешеток антипараллельна. В то же время сами подрешетки имеют разные по величине магнитные моменты, так что суммарная намагниченность в магнитоупорядоченном состоянии отлична от нуля.By ferrimagnetic is meant the state of a material in which the orientation of the spins of magnetic ions of different magnetic sublattices is antiparallel. At the same time, the sublattices themselves have magnetic moments of different magnitude, so that the total magnetization in the magnetically ordered state is nonzero.

Под спинориентированными ферримагнетиками понимается состояние, при котором не происходит пространственная переориентация магнитного момента электрона и связанное с этим изменение величины намагниченности насыщения материала при изменении индукции магнитного поля [Борухович А.С. Физика материалов и структур сверхпроводящей и полупроводниковой спиновой электроники // Екатеринбург: Изд-во УрО РАН. 2004, 175 с.].Spin-oriented ferrimagnets are understood to mean a state in which there is no spatial reorientation of the electron magnetic moment and the associated change in the saturation magnetization of the material with a change in the magnetic field induction [Borukhovich AS Physics of materials and structures of superconducting and semiconductor spin electronics // Ekaterinburg: Publishing House of the Ural Branch of RAS. 2004, 175 p.].

Значения x выбираются из соображений, что при x<0.05 полупроводниковые свойства не проявляются, а при x>0.25 в материале наблюдается зависимость величины намагниченности насыщения при изменении индукции магнитного поля.The values of x are chosen from the considerations that for x <0.05, semiconductor properties do not appear, and for x> 0.25, the dependence of the saturation magnetization on changing the magnetic field induction is observed in the material.

Заявленный материал получают следующим образом. Раствор, содержащий смесь нитратов магния, галлия, железа и лимонную кислоту, где мольное соотношение металлов Mg:Fe:Ga равно 1:2(1-x):2x при заданном значении x в интервале 0.05÷0.25, упаривают при нагревании и постоянном перемешивании до образования плотной вязкой массы. Упаренная смесь нитратов магния, галлия, железа и лимонной кислоты самовозгорается при достижении температуры 500 К [Сычев А.Е., Мержанов А.Г. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез наноматериалов // Успехи химии. 2004. Т.73. №2. С.157-170].The claimed material is obtained as follows. A solution containing a mixture of magnesium, gallium, iron nitrates and citric acid, where the molar ratio of metals Mg: Fe: Ga is 1: 2 (1-x): 2x at a given value of x in the range 0.05 ÷ 0.25, is evaporated by heating and constant stirring until a dense viscous mass is formed. An evaporated mixture of magnesium, gallium, iron and citric acid nitrates spontaneously ignites when a temperature of 500 K is reached [Sychev A.E., Merzhanov A.G. Self-propagating high-temperature synthesis of nanomaterials // Advances in Chemistry. 2004.V. 73. No. 2. S.157-170].

Полученный мелкодисперсный аморфный материал отжигают в муфельной печи при температуре 1223÷1273 К в течение 20 часов до образования гомогенного материала со структурой шпинели с последующим либо охлаждением со скоростью 10 К в минуту, либо закалкой от температур 1223÷1273 К.The obtained finely divided amorphous material is annealed in a muffle furnace at a temperature of 1223 ÷ 1273 K for 20 hours until a homogeneous material with a spinel structure is formed, followed by either cooling at a speed of 10 K per minute or quenching from temperatures of 1223 ÷ 1273 K.

Достижение технического результата заявляемого изобретения поясняется следующими прилагаемыми иллюстрациями и табличными данными:The achievement of the technical result of the claimed invention is illustrated by the following attached illustrations and tabular data:

Фиг.1. Зависимости величины намагниченности насыщения от индукции магнитного поля, на которых кривая 1 отвечает заявляемому материалу состава MgFe1.6Ga0.4O4, кривая 2 - материалу состава MgFe1.9Ga0.1O4, кривая 3 - материалу состава MgFe1.7Ga0.3O4 и кривая 4 - материалу состава MgFe1.5Ga0.5O4, кривая 5 отвечает материалу прототипа состава MgFe1.6Ga0.4O4.Figure 1. Dependences of saturation magnetization on magnetic field induction, on which curve 1 corresponds to the claimed material of MgFe 1.6 Ga 0.4 O 4 composition, curve 2 to the material of MgFe 1.9 Ga 0.1 O 4 composition, curve 3 to the material of MgFe 1.7 Ga 0.3 O 4 composition and curve 4 - material composition MgFe 1.5 Ga 0.5 O 4 , curve 5 corresponds to the material of the prototype composition MgFe 1.6 Ga 0.4 O 4 .

Фиг.2. Полупроводниковые характеристики материала состава Mg(Fe1-XGaX)2O4, отображающие спектральную зависимость квадрата оптического поглощения от энергии фотонов. Кривая 1 отвечает составу MgFe1.6Ga0.4O4, кривая 2 - составу MgFe1.9Ga0.1O4, кривая 3 - составу MgFe1.7Ga0.3O4, кривая 4 - составу MgFe1.5Ga0.5O4.Figure 2. Semiconductor characteristics of a material of the composition Mg (Fe 1-X Ga X ) 2 O 4 , reflecting the spectral dependence of the square of optical absorption on the photon energy. Curve 1 corresponds to the composition of MgFe 1.6 Ga 0.4 O 4 , curve 2 to the composition of MgFe 1.9 Ga 0.1 O 4 , curve 3 to the composition of MgFe 1.7 Ga 0.3 O 4 , curve 4 to the composition of MgFe 1.5 Ga 0.5 O 4 .

Фиг.3. Полупроводниковые характеристики материала состава Mg(Fe1-XGaX)2O4, отображающие характерные зависимости силы тока от напряжения. Кривая 1 отвечает составу MgFe1.6Ga0.4O4, кривая 2 - составу MgFe1.9Ga0.1O4, кривая 3 - составу MgFe1.7Ga0.3O4, кривая 4 - составу MgFe1.5Ga0.5O4.Figure 3. Semiconductor characteristics of the material composition Mg (Fe 1-X Ga X ) 2 O 4 , displaying the characteristic dependence of current strength on voltage. Curve 1 corresponds to the composition of MgFe 1.6 Ga 0.4 O 4 , curve 2 to the composition of MgFe 1.9 Ga 0.1 O 4 , curve 3 to the composition of MgFe 1.7 Ga 0.3 O 4 , curve 4 to the composition of MgFe 1.5 Ga 0.5 O 4 .

Фиг.4. Гомогенность материалов состава Mg(Fe1-XGaX)2O4, отображающая характерную зависимость параметра кристаллической решетки от состава. Прямая 6 отвечает заявляемому материалу составов Mg(Fe1-XGaX)2O4, а кривая 7 - материалу прототипа Mg(Fe1-XGaX)2O4.Figure 4. The homogeneity of materials with the composition Mg (Fe 1-X Ga X ) 2 O 4 , reflecting the characteristic dependence of the crystal lattice parameter on the composition. Line 6 corresponds to the claimed material of the compositions Mg (Fe 1-X Ga X ) 2 O 4 , and curve 7 to the material of the prototype Mg (Fe 1-X Ga X ) 2 O 4 .

Фиг.5. Термическая стабильность материала состава MgFe1.6Ga0.4O4, характеризующаяся постоянной величиной намагниченности насыщения, вне зависимости от скорости охлаждения, кривая 1a - для материала, полученного при температуре 1273 К с последующим его охлаждением со скоростью 10 К в минуту, кривая 1б - для материала, полученного закалкой от температуры 1273 К.Figure 5. Thermal stability of a material of MgFe 1.6 Ga 0.4 O 4 composition, characterized by a constant saturation magnetization, regardless of the cooling rate, curve 1a for a material obtained at a temperature of 1273 K with its subsequent cooling at a speed of 10 K per minute, curve 1b for a material obtained by quenching from a temperature of 1273 K.

Фиг.6. Рентгенограмма материала состава MgFe1.6Ga0.4O4, характеризующаяся наличием линий, характерных для шпинельных структур, измеренных при 298 (1a) и 573 К (1в).6. X-ray diffraction pattern of the material with the composition MgFe 1.6 Ga 0.4 O 4 , characterized by the presence of lines characteristic of spinel structures measured at 298 (1a) and 573 K (1c).

Таблица: «Значения температур Кюри для заявленного материала по примерам 1-4».Table: "Curie temperatures for the claimed material according to examples 1-4."

Заявленный полупроводниковый материал обладает постоянной величиной намагниченности насыщения при изменении индукции магнитного поля. Как следует из Фиг.1, материал состава MgFe1.6Ga0.4O4 характеризуется величиной намагниченности насыщения M=28±10% А·м2·кг-1, прямоугольной петлей гистерезиса и величиной коэрцитивной силы HC=0,0188±10% Тл., материал состава MgFe1.9Ga0.1O4 - величиной намагниченности насыщения M=20±10% А·м2·кг-1, прямоугольной петлей гистерезиса и величиной коэрцитивной силы HC=0,0085±10% Тл., материалы составов MgFe1.7Ga0.3O4 и MgFe1.5Ga0.5O4 - величиной намагниченности насыщения M=12±10% А·м2кг-1, прямоугольной петлей гистерезиса и величиной коэрцитивной силы HC=0,0095±10% Тл.The claimed semiconductor material has a constant saturation magnetization with a change in the magnetic field induction. As follows from Figure 1, the composition material MgFe 1.6 Ga 0.4 O 4 is characterized by a saturation magnetization value M = 28 ± 10% A · m 2 · kg -1 , a rectangular hysteresis loop and a coercive force value H C = 0.0188 ± 10% T., material composition MgFe 1.9 Ga 0.1 O 4 - the saturation magnetization M = 20 ± 10% A · m 2 · kg -1 , a rectangular hysteresis loop and the value of the coercive force H C = 0,0085 ± 10% T., materials of MgFe 1.7 Ga 0.3 O 4 and MgFe 1.5 Ga 0.5 O 4 compositions - saturation magnetization M = 12 ± 10% A · m 2 kg -1 , a rectangular hysteresis loop and coercive force H C = 0.0095 ± 10% T.

Как следует из кривой 5 Фиг.1, для материала прототипа величина намагниченности насыщения не является постоянной при изменении индукции магнитного поля. Это свидетельствует о том, что в кристаллической решетке гетерофазного материала прототипа существуют одновременно и ферримагнитное, и парамагнитное упорядочение, то есть материал не является спинориентированным.As follows from curve 5 of Figure 1, for the material of the prototype, the magnitude of the saturation magnetization is not constant when changing the magnetic field induction. This indicates that in the crystal lattice of the heterophasic material of the prototype both ferrimagnetic and paramagnetic ordering exist simultaneously, that is, the material is not spin-oriented.

Заявленный ферримагнитный материал обладает полупроводниковыми свойствами, которые подтверждаются результатами измерений ширины запрещенной зоны (Фиг.2) и вольтамперных характеристик (Фиг.3). Из данных Фиг.2 следует, что ширина запрещенной зоны является характерной для полупроводниковых материалов. Тот же вывод можно сделать на основании нелинейности вольтамперных характеристик на Фиг.3, при этом установлено, что наиболее высокой проводимостью характеризуется материал состава MgFe1.6Ga0.4O4.The claimed ferrimagnetic material has semiconductor properties, which are confirmed by the results of measurements of the band gap (Figure 2) and current-voltage characteristics (Figure 3). From the data of Figure 2 it follows that the band gap is characteristic of semiconductor materials. The same conclusion can be drawn on the basis of the non-linearity of the current-voltage characteristics in Fig. 3, while it was found that the material with the highest conductivity is MgFe 1.6 Ga 0.4 O 4 .

Гомогенность материала подтверждается результатами рентгенофазового анализа. Из данных Фиг.4 следует, что зависимость параметра а гексагональной решетки шпинели от состава заявленного материала (6) является линейной, что свидетельствует о его гомогенности. На кривой зависимости параметра решетки от составов прототипа (7) имеются изломы, свидетельствующие о гетерогенности материала.The homogeneity of the material is confirmed by the results of x-ray phase analysis. From the data of Figure 4 it follows that the dependence of the parameter a of the hexagonal spinel lattice on the composition of the claimed material (6) is linear, which indicates its homogeneity. On the curve of the dependence of the lattice parameter on the compositions of the prototype (7) there are kinks indicating the heterogeneity of the material.

Заявленный полупроводниковый ферримагнитный материал обладает высокой термической стабильностью, на что указывают неизменность величины намагниченности насыщения материала (Фиг.5), полученного двумя различными способами, а также результаты РФА анализа материала (Фиг.6).The claimed semiconductor ferrimagnetic material has high thermal stability, as indicated by the immutability of the saturation magnetization of the material (Figure 5) obtained in two different ways, as well as the results of XRD analysis of the material (Figure 6).

Заявленный материал обладает высокими температурами Кюри, значение которых приведены в Таблице.The claimed material has high Curie temperatures, the values of which are given in the Table.

ТаблицаTable № ПримераNo. of Example Состав материалаMaterial Composition Температура перехода в парамагнитное состояние (температура Кюри) TК, (±10)Paramagnetic transition temperature (Curie temperature) T K , (± 10) 1one MgFe1.6Ga0.4O4 MgFe 1.6 Ga 0.4 O 4 465465 22 MgFe1.9Ga0.1O4 MgFe 1.9 Ga 0.1 O 4 650650 33 MgFe1.7Ga0.3O4 MgFe 1.7 Ga 0.3 O 4 325325 4four MgFe1.5Ga0.5O4 MgFe 1.5 Ga 0.5 O 4 300300

Ниже приведены примеры получения заявленного материала.Below are examples of the receipt of the claimed material.

Пример 1Example 1

В качестве исходных материалов использовали растворы, исходное мольное соотношение металлов Mg:Ga:Fe в которых соответствовало отношению, равному 1:1.6:0.4. Состав исходных веществ был установлен на основании данных ТГ анализа (термоанализатор TGD 7000 фирмы ULVAC SINKU-RIKO, Япония). Раствор, содержащий смесь нитратов магния, галлия, железа и лимонную кислоту, упаривали при постоянном перемешивании до образования плотной вязкой массы. Упаренная смесь нитратов магния, галлия, железа самовозгоралась при температуре выше 500 К. Полученный мелкодисперсный аморфный материал отжигали при температуре 1273 К 20 часов до образования гомогенного материала со структурой шпинели с последующим охлаждением либо со скоростью 10 К в минуту, либо закалкой от температуры 1273 К. Полученный полупроводниковый ферримагнитный материал отвечал формуле MgFe1.6Ga0.4O4 (на иллюстрациях кривая 1).As starting materials, solutions were used, the initial molar ratio of Mg: Ga: Fe metals in which corresponded to a ratio of 1: 1.6: 0.4. The composition of the starting materials was determined on the basis of TG analysis data (TGD 7000 thermal analyzer manufactured by ULVAC SINKU-RIKO, Japan). A solution containing a mixture of magnesium, gallium, iron nitrates and citric acid was evaporated with constant stirring until a dense viscous mass was formed. An evaporated mixture of magnesium, gallium, and iron nitrates spontaneously ignited at a temperature above 500 K. The obtained finely dispersed amorphous material was annealed at a temperature of 1273 K for 20 hours until a homogeneous material with a spinel structure was formed, followed by cooling either at a rate of 10 K per minute or quenching from a temperature of 1273 K The obtained semiconductor ferrimagnetic material corresponded to the formula MgFe 1.6 Ga 0.4 O 4 (curve 1 in the illustrations).

Пример 2Example 2

Раствор, содержащий смесь нитратов магния, галлия, железа и лимонную кислоту в соотношении 1:1.9:0.1, упаривали при постоянном перемешивании до образования плотной вязкой массы. Упаренная смесь нитратов магния, галлия, железа и лимонной кислоты самовозгоралась при температуре выше 500 К. Полученный мелкодисперсный аморфный материал отжигали при температуре 1273 К 20 часов до образования гомогенного материала со структурой шпинели с последующим охлаждением со скоростью 10 К в минуту. Полученный полупроводниковый ферримагнитный материал отвечал формуле MgFe1.9Ga0.1O4 (на иллюстрациях кривая 2).A solution containing a mixture of magnesium, gallium, iron nitrates and citric acid in a ratio of 1: 1.9: 0.1 was evaporated with constant stirring until a dense viscous mass was formed. An evaporated mixture of magnesium, gallium, iron, and citric acid nitrates spontaneously ignited at a temperature above 500 K. The obtained finely dispersed amorphous material was annealed at a temperature of 1273 K for 20 hours until a homogeneous material with a spinel structure was formed, followed by cooling at a rate of 10 K per minute. The obtained semiconductor ferrimagnetic material corresponded to the formula MgFe 1.9 Ga 0.1 O 4 (curve 2 in the illustrations).

Пример 3Example 3

Раствор, содержащий смесь нитратов магния, галлия, железа и лимонную кислоту в соотношении 1:1.7:0.3, упаривали при постоянном перемешивании до образования плотной вязкой массы. Упаренная смесь нитратов магния, галлия, железа и лимонной кислоты самовозгоралась при температуре выше 500 К. Полученный мелкодисперсный аморфный материал отжигали при температуре 1273 К 20 часов до образования гомогенного материала со структурой шпинели с последующим охлаждением со скоростью 10 К в минуту. Полученный полупроводниковый ферримагнитный материал отвечал формуле MgFe1.7Ga0.3O4 (на иллюстрациях кривая 3).A solution containing a mixture of magnesium, gallium, iron nitrate and citric acid in a ratio of 1: 1.7: 0.3 was evaporated with constant stirring until a dense viscous mass was formed. An evaporated mixture of magnesium, gallium, iron, and citric acid nitrates spontaneously ignited at a temperature above 500 K. The obtained finely dispersed amorphous material was annealed at a temperature of 1273 K for 20 hours until a homogeneous material with a spinel structure was formed, followed by cooling at a rate of 10 K per minute. The obtained semiconductor ferrimagnetic material corresponded to the formula MgFe 1.7 Ga 0.3 O 4 (curve 3 in the illustrations).

Пример 4Example 4

Раствор, содержащий смесь нитратов магния, галлия, железа и лимонную кислоту в соотношении 1:1.5:0.5, упаривали при постоянном перемешивании до образования плотной вязкой массы. Упаренная смесь нитратов магния, галлия, железа и лимонной кислоты самовозгоралась при температуре выше 500 К. Полученный мелкодисперсный аморфный материал отжигали при температуре 1223 К 20 часов до образования гомогенного материала со структурой шпинели с последующим охлаждением со скоростью 10 К в минуту. Полученный полупроводниковый ферримагнитный материал отвечал формуле MgFe1.5Ga0.5O4 (на иллюстрациях кривая 4).A solution containing a mixture of magnesium, gallium, iron nitrates and citric acid in a ratio of 1: 1.5: 0.5 was evaporated with constant stirring until a dense viscous mass was formed. An evaporated mixture of magnesium, gallium, iron, and citric acid nitrates spontaneously ignited at a temperature above 500 K. The obtained finely dispersed amorphous material was annealed at a temperature of 1223 K for 20 hours until a homogeneous material with a spinel structure was formed, followed by cooling at a rate of 10 K per minute. The obtained semiconductor ferrimagnetic material corresponded to the formula MgFe 1.5 Ga 0.5 O 4 (curve 4 in the illustrations).

Материалы, представленные иллюстрациями и табличными данными, исследовались методами рентгенофазового (РФА), термогравиметрического (ТГ) и дифференциально термического (ДТА) анализов. РФА анализ выполнен с использованием дифрактометра ДРОН-3М и камеры-монохроматора Гинье де-Вольфа. РФА материалов при 25 и 300°C выполнен на высокотемпературном дифрактометре Rigaku D/MAX 2200 (Япония). Для обработки спектров использовали пакет программ Rigaku Application Data Processing.The materials presented by illustrations and tabular data were studied by X-ray diffraction (XRD), thermogravimetric (TG) and differential thermal (DTA) analyzes. X-ray diffraction analysis was performed using a DRON-3M diffractometer and a Guinier-de-Wolf monochromator camera. X-ray diffraction analysis of materials at 25 and 300 ° C was carried out on a Rigaku D / MAX 2200 high-temperature diffractometer (Japan). The spectra were processed using the Rigaku Application Data Processing software package.

На рентгенограммах присутствовали только линии, характерные для гомогенных шпинельных структур.On radiographs, only lines characteristic of homogeneous spinel structures were present.

ТГ анализы выполнены с помощью термоанализатора TGD 7000 фирмы ULVAK SINKU-RIKO, Япония.TG analyzes were performed using a TGD 7000 thermal analyzer manufactured by ULVAK SINKU-RIKO, Japan.

По данным ТГ в пределах инструментальной ошибки прибора, брутто-состав синтезированных образцов не отличается от исходного брутто-состава.According to the TG data, within the instrumental error of the device, the gross composition of the synthesized samples does not differ from the initial gross composition.

Исследование магнитных и вольтамперных характеристик проводили на установке «Liquid Helium Free High Field Measurement System ("Cryogenic LTD", London, UK)».The study of magnetic and current-voltage characteristics was carried out on the installation "Liquid Helium Free High Field Measurement System (" Cryogenic LTD ", London, UK)."

Ширину запрещенной зоны определяли из спектров диффузного рассеяния: монохромное излучение (МДР-12, диапазон длин волн 250-920 нм) отражалось от поликристаллов на сапфировом держателе и анализировалось компьютеризированным ФЭУ Hamamatsu-7680.The band gap was determined from diffuse scattering spectra: monochrome radiation (MDR-12, wavelength range 250–920 nm) was reflected from polycrystals on a sapphire holder and analyzed by a Hamamatsu-7680 computerized PMT.

Температуру Кюри материала исследовали пондеромоторным методом [Чечерников В.И. Магнитные измерения // М.: МГУ. 1969. 388 с.].The Curie temperature of the material was investigated by the ponderomotive method [V. Chechernikov. Magnetic measurements // Moscow: Moscow State University. 1969. 388 p.].

Как видно из Фиг.1-6, таблицы и приведенных примеров, заявленный продукт является гомогенным полупроводниковым ферримагнитным материалом класса разбавленных полупроводниковых спинориентированных ферримагнетиков - РПСФ, характеризующийся постоянством величины намагниченности насыщения при изменении индукции магнитного поля, температурой Кюри TК=300÷650 К.As can be seen from Figs. 1-6, tables and examples, the claimed product is a homogeneous semiconductor ferrimagnetic material of the class of diluted semiconductor spin-oriented ferrimagnets - RPSF, characterized by a constant saturation magnetization with a change in the magnetic field, Curie temperature T K = 300 ÷ 650 K.

Уникальное сочетание полупроводниковых и ферримагнитных свойств заявленного материала делает его перспективным продуктом для практического использования в спинтронике.The unique combination of semiconductor and ferrimagnetic properties of the claimed material makes it a promising product for practical use in spintronics.

Claims (1)

Полупроводниковый ферримагнитный материал, характеризующийся постоянством величины намагниченности насыщения при изменении индукции магнитного поля, который включает железо, галлий и магний, представляет собой гомогенный раствор оксидов железа, галлия и магния и отвечает формуле
Mg(Fe1-xGax)2O4,
где х=0,05÷0,25,
при этом гомогенность раствора достигается применением метода самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, а последующий отжиг полученного мелкодисперсного аморфного материала при температуре 1223÷1273 К и его охлаждение приводит к образованию гомогенного материала со структурой шпинели.
A semiconductor ferrimagnetic material, characterized by a constant saturation magnetization when changing the magnetic field induction, which includes iron, gallium and magnesium, is a homogeneous solution of iron, gallium and magnesium oxides and corresponds to the formula
Mg (Fe 1-x Ga x ) 2 O 4 ,
where x = 0.05 ÷ 0.25,
in this case, the homogeneity of the solution is achieved using the method of self-propagating high-temperature synthesis, and subsequent annealing of the obtained finely dispersed amorphous material at a temperature of 1223 ÷ 1273 K and its cooling leads to the formation of a homogeneous material with a spinel structure.
RU2010107761/02A 2010-03-04 2010-03-04 Semi-conducting ferrimagnetic material RU2436859C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010107761/02A RU2436859C2 (en) 2010-03-04 2010-03-04 Semi-conducting ferrimagnetic material

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010107761/02A RU2436859C2 (en) 2010-03-04 2010-03-04 Semi-conducting ferrimagnetic material

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2010107761A RU2010107761A (en) 2011-09-10
RU2436859C2 true RU2436859C2 (en) 2011-12-20

Family

ID=44757302

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010107761/02A RU2436859C2 (en) 2010-03-04 2010-03-04 Semi-conducting ferrimagnetic material

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2436859C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2657674C1 (en) * 2017-08-14 2018-06-14 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук (ИОНХ РАН) METHOD FOR PRODUCING HETEROSTRUCTURE Mg(Fe1-XGaX)2O4/SI WITH STABLE INTERPHASE BOUNDARY

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ПОКРОВСКИЙ Б.И. и др. Кристаллохимия и магнетизм смешанных галлий- и индийсодержащих ферритов со структурой шпинели. Ферримагнетизм. - М.: МГУ, 1975, с.137-140. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2657674C1 (en) * 2017-08-14 2018-06-14 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук (ИОНХ РАН) METHOD FOR PRODUCING HETEROSTRUCTURE Mg(Fe1-XGaX)2O4/SI WITH STABLE INTERPHASE BOUNDARY

Also Published As

Publication number Publication date
RU2010107761A (en) 2011-09-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
El-Hagary et al. The particle size-dependent optical band gap and magnetic properties of Fe-doped CeO2 nanoparticles
Cho et al. Room-temperature ferromagnetism in (Zn 1− x Mn x) GeP 2 semiconductors
Goktas High-quality solution-based Co and Cu co-doped ZnO nanocrystalline thin films: Comparison of the effects of air and argon annealing environments
Goktas et al. Influence of pH on the structural optical and magnetic properties of Zn1− xMnxO thin films grown by sol–gel method
Guler et al. The annealing effect on microstructure and ESR properties of (Cu/Ni) co-doped ZnO nanoparticles
Kamble et al. Investigating thermal stability of structural defects and its effect on d ferromagnetism in undoped SnO2
Goktas et al. Structural, optical, and magnetic properties of solution-processed co-doped ZnS thin films
Abdullahi et al. Synthesis and characterization of Mn and Co codoped ZnO nanoparticles
Taddee et al. Characterization of transparent superconductivity Fe-doped CuCrO2 delafossite oxide
Farha et al. Structural, optical, and magnetic study of dilute magnetic semiconducting Co-doped ZnO nanocrystals synthesized using polymer-pyrolysis route
Guo et al. Ba (Zn, Co) 2 As 2: A diluted ferromagnetic semiconductor with n-type carriers and isostructural to 122 iron-based superconductors
Phokha et al. Room-temperature ferromagnetism in pure CeO 2 nanoparticles prepared by a simple direct thermal decomposition
Patra et al. Studies on structural and magnetic properties of Co-doped pyramidal ZnO nanorods synthesized by solution growth technique
Fang et al. Structure and properties variations in Zn1− xCoxO nanorods prepared by microwave-assisted hydrothermal method
Zhou et al. Tuning the Curie temperature of a two-dimensional magnet/topological insulator heterostructure to above room temperature by epitaxial growth
Ashraf et al. Structural and magnetic properties of Mn/Fe co-doped ZnO thin films prepared by sol–gel technique
Sagar et al. Synthesis and magnetic behaviour of Mn: ZnO nanocrystalline powders
Ram et al. Effect of (Fe, Co) co-doping on the structural, electrical and magnetic properties of ZnO nanocrystals prepared by solution combustion method
RU2436859C2 (en) Semi-conducting ferrimagnetic material
RU2392680C2 (en) Semiconductor ferrimagnetic material
Kane et al. Magnetic and optical properties of single crystals of transition metal doped ZnO
Song et al. Microstructure and magnetism of sol–gel synthesized Co-doped PbPdO2 nanograin film
Yu et al. Magnetic and electric properties of Co doped ZnO films via in-situ growth
Zhang et al. Intrinsic ferromagnetism in 4H-SiC single crystal induced by Al-doping
RU2318262C1 (en) Semiconductor antiferromagnetic material

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20180305