Оптические свойства и электронные характеристики сплавов Гейслера и полуметаллических ферромагнетиков на основе переходных d-металлов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Л ''

2 2 СЕ:; Г

На правах рукописи

Шредер Елена Ивановна

Оптические свойства и электронные характеристики сплавов Гейслер^ и полуметаллических ферромагнетиков на основе переходных б-металлов

01.04.07 - физика твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Екатеринбург 1998

Работа выполнена в лаборатории оптики металлов Ордена Трудового Красного Знамени Института физики металлов Уральского отделения Российской Академии наук.

Научный руководитель - доктор физико-математических наук

Кириллова М.М.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Черепанов В.И. доктор физико-математических наук Лошкарева H.H.

Ведущая организация - Уральский государственный технический университет (УГТУ-УПИ) г.Екатеринбург

Защита состоится " 2 " октября 1998 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета К 002.03.01 в Инстгауте физики металлов УрО РАН по адресу: 620219, Екатеринбург, ГСП-170, ул.С.Ковалевскс 18.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики металлов УрО РАН.

Автореферат разослан СЯ^УНЛ^ьУ- 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат физико-математических наук

Введение

Одной из актуальных проблем физики твердого тела является проблема взаимосвязи электронной структуры и магнитного состояния вещества. Успешное применение методов зонной теории для вычисления энергетического спектра ферромагнитных металлов и сплавов позволило подойти к рассмотрению природы магнитного взаимодействия и его эволюции на микроскопическом уровне.

Большой интерес исследователей в связи с этой проблемой вызывают сплавы Гейслера - магнитные интерметаллические соединения на основе переходных сЬметаллов. Они определяются общей формулой Х^ХХ или XYZ, где Х-медь или (1-металл, У-обычно Мп, 2-элемент III-V группы Периодической системы, и имеют кристаллическую структуру Ь2] или С1ь соответственно. Исследования нейтронной дифракции и магнитных свойств показали, что в сплавах формируется локализованный на атоме марганца магнитный момент ц~(3.3-4)цВ- Атомы Мп удалены друг от друга на расстояния более 4 А, поэтому имеет место косвенное обменное взаимодействие магнитных моментов через электроны проводимости. Основными факторами, влияющими на формирование магнитного порядка в сплавах Гейслера, являются расстояние между атомами Мп и концентрация электронов проводимости. В итоге их магнитное состояние изменяется от антиферромагнигного в СиМпБЬ (Тк=55 К), Рс12Мп1п (Тм=142 К) до сильно ферромагнитного в Со2Мп81 с температурой Кюри Тс = 985 К.

Первопринципные зонные расчеты [Л1] дали картину электронного энергетического спектра сплавов Гейслера, согласно которой в системе спинов по направлению локальной намагниченности с1-состояния атомов X и Мп формируют общую с1-зону, расположенную

ниже уровня Ферми. В системе спинов против направления намагниченности d-зона Х-атома заполнена, а d-зона Мп - пустая и расположена на (1-1.5) эВ выше Ер. Отдельную группу сплавов Гейслера образуют сплавы композиции XMnZ, названные полуметаллическими ферромагнетиками (ПМФ) за особенность их электронной структуры [JI2]: в системе спинов против направления намагниченности (4) уровень Ферми Еу находится внутри полупроводниковой щели, а в системе спинов по направлению намагниченности (Т) пересекает энергетические уровни. Интерес к электронной структуре ПМФ возник после экспериментального обнаружения в соединении PtMnSb гигантского магнитооптического эффекта Керра (МОКЕ), что поставило его в ряд материалов, перспективных для оптоэлекгроники.

Изучение электронной структуры сплавов требует систематических спектроскопических, в частности, оптических исследований, дающих информацию об электронных состояниях как вблизи уровня Ферми, так и удаленных от него на несколько электрон-вольт.

Настоящая работа посвящена экспериментальному изучению частотной зависимости оптических характеристик сплавов Гейслера X2MnZ и полуметаллических ферромагнетиков XMnZ в широком спектральном интервале Е=(0.07-10) эВ с целью получения информации об их энергетическом зонном спектре и параметрах носителей заряда, а также изучению влияния магнитного фазового превращения "ферромагнетик-парамагнетик" на оптические свойства и электронную структуру сплавов.

Конкретные задачи состояли в следующем: 1. Детально изучить межзонное поглощение и интерпретировать его особенности на основе имеющихся расчетов зонного спектра, плот-

ности состояний Ы(Е) и мнимой части диэлектрической функции в2(га) (со-циклическая частота световой волны).

2. Определить параметры носителей заряда - плазменную Л и релаксационную у частоты и проследить за их эволюцией при изменении композиции и магнитного состояния сплавов.

3. Изучить частотную зависимость функции характеристических потерь энергии электронов -1ш(в"г) в ПМФ для выяснения роли плазменного резонанса в формировании магнитооптического эффекта Керра.

4. Провести исследование оптических свойств сплавов №2Мп8п и Рс^МпБп в условиях сверхвысокого вакуума в широком интервале температур и поиск изменений в оптических спектрах поглощения при фазовом превращении "ферромагнетик-парамагнетик".

Научная новизна. В работе получены следующие новые результаты.

1, Впервые изучена частотная зависимость комплексной диэлектрической проницаемости к(<п)=е1((в)^Е2(ш) и оптическое поглощение сплавов Гейслера С^МпБп, РсЬМпБп, №2Мп2 (г=1п,8п,8Ь), Со2Мп2 (2=А1,Са,51,8п,5Ь) и полуметаллических ферромагнетиков РсМпБЬ, СиМпБЬ, РМпЗп в спектральной области Е=(0.07-10) эВ. Для сплавов Си2МпА1, №МпБЬ, Р1Мп5Ь впервые изучена дисперсия е(<о) в инфракрасном диапазоне Е=(0.07-0.5)эВ.

2. Впервые изучены эффекты межзонного возбуждения электронов в сплавах Гейслера Х2Мпг (Х=Си,№,Со,Рс1; г=А1,1п,81,8п,8Ь) и полуметаллических ферромагнетиках ХМп2 (Х=№,Рс1,Р1:; Z=Sn,Sb). Установлено, что межзонное поглощение является доминирующим при энергиях фотона Лео =(0.6-8) эВ в обеих группах сплавов. Определены

энергии низкочастотных межзонных возбуждений, спектральное положение основной полосы поглощения и ее структурных особенностей. Прослежена эволюция оптических спектров поглощения при вариации X и Ъ компонентов.

3. Проведен анализ частотной зависимости межзонного поглощения в сплавах Х2Мп2Г (Х=Си,№,Со,Рф и полуметаллических ферромагнетиках ХМпБЬ (Х=№,Р(Щ) в спектральном интервале (0.07-10) эВ на основе имеющихся теоретических расчетов зонного спектра, плотности состояний Ы(Е) и дисперсионных кривых сттеор(со) и е2теор(ш). Получены оценки ряда параметров энергетического спектра электронов этих сплавов.

4. Впервые определены плазменная О и релаксационная у частоты электронов проводимости сплавов Х2Мп2 и ХМпг. Установлена корреляция между величиной О2, пропорциональной эффективной концентрации электронов проводимости Ыэф, и температурой Кюри Тс.

5. Обнаружено аномальное поведение диэлектрических функций 81 (со) и б2(ю) в сплавах Со2Мп2 (2=А1,Оа,8Ь) при длинах волн л>3 мкм. Низкие значения £22, полученные из ИК-измерений, указывают на наличие псевдощели в плотности состояний М(ЕР) этих сплавов, предсказанной теоретически для системы электронов со спином (4) [Л1].

6. Изучена и проанализирована частотная зависимость функции характеристических потерь энергии электронов -1т(в(а)'1) полуметаллических ферромагнетиков ХМпг (Х=№,Р<1,Р1; 2=8Ь,Бп). Отмечено качественное подобие дисперсии -1т(¿(а)'1) на участке спектра (0.07-5) эВ и низкая амплитуда первого резонасного пика (~0.09).

7. Впервые изучено влияние температуры (Т=(77-650) К) и магнитного фазового превращения "ферромагнетик-парамагнетик" на оптические свойства сплавов №2Мп8п и Рс^МпЗп. Обнаружены аномалии в температурном поведении оптической проводимости ст(ю) при Т/Тс^1.4 для №2Мп8п и Т/Тс £ 2.38 для Рс^МпБп, свидетельствующие о локальной перестройке электронной структуры сплавов в парамагнитной фазе.

Научная и практическая значимость.

Получена база данных об оптических свойствах большого класса тернарных соединений - сплавов Гейслера на основе марганца (Х2Мп2 и ХМг£). Установленные закономерности формирования оптических спектров поглощения способствуют углублению представлений об энергетическом спектре электронов указанной группы сплавов.

Важное научное значение имеют результаты исследований частотной зависимости диэлектрической проницаемости в(<а) в области межзонного возбуждения электронов. Эти данные являются надежным тестом для выбора модели зонного спектра сплава и оценки величины обменного расщепления зон 2АЕ4 марганца и ферромагнитных X-компоненгов (№,Со).

Полученные оптическим методом сведения о характере изменения электронной структуры сплавов Гейслера при магнитном фазовом превращении будут полезны для дальнейших теоретических исследований физических свойств ферромагнетиков при конечных температурах, которые проводятся в рамках современных флуктуационных моделей.

Самостоятельную практическую ценность имеют оптические характеристики 16 исследованных сплавов - показателей преломления п и поглощения к, полученные в спектральном интервале (0.1-5) эВ при

комнатной температуре, а также температурные зависимости пик сплавов №2Мп8п и Р(!2Мп8п, полученные в условиях сверхвысокого вакуума ~10"8Па. Числовые значения п и к, представленные в 16 таблицах Приложения, позволяют вычислить основные спектральные характеристики сплавов (отражательную способность II, поглощательную А и излуча-тельную Ех способности), которые могут найти практическое применение при изготовлении оптических устройств.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 11 Международной конференции по соединениям переходных элементов (Польша, Вроцлав, 1994 г.), XXI съезде по спектроскопии (Звенигород, 1995), Международной конференции "Прикладная оптика-9б.Рефракто/рефлектометрия" (С-Петербург, 1996).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка цитируемой литературы, приложения. Изложена на 152 страницах машинописного текста, включая 53 рисунка, 6 таблиц, библиографию из 109 наименований, 16 таблиц значений оптических постоянных пик исследованных сплавов. Все главы содержат в основном оригинальный материал, за исключением 4 обзорных параграфов, в которых описаны некоторые вопросы теории оптических свойств и энергетической зонной структуры металлов, а также дан обзор литературных данных по исследованию физических свойств изучаемых сплавов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели диссертационной работы, показана научная новизна, научная и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе изложена связь оптических свойств и электронной структуры металлов, дается описание объектов исследования, способов приготовления поверхности, метода измерений и экспериментальных установок Взаимодействие электронов с полем световой волны определяется двумя факторами: их энергетическим спектром и различными механизмами рассеяния. Исследование оптических свойств в широкой спектральной области позволяет получить информацию как о параметрах электронов проводимости (плазменной а и релаксационной у частотах) из анализа внутризонного поглощения, так и об электронных энергетических состояниях из анализа межзонного поглощения.

Исследованные образцы были выплавлены в лаборатории прецизионных сплавов ИФМ УрО РАН и в Институте металлургии им.А.А.Байкова РАН из расплавов в индукционной печи в атмосфере очищенного аргона. Однофазность образцов достигалась отжигом в течение суток в кварцевых ампулах также в атмосфере аргона с последующей закалкой в воду и проверялась рентгенографически. Поверхность для оптических измерений готовилась механическим шлифованием и полированием на окиси хрома с последующим элекгрополировани-ем.

Оптические постоянные - показатель преломления п и поглощения к - измерены на аттестованных установках поляриметрическим методом Битги, основанным на анализе отраженного эллиптически поляризованного света, с одним (в области спектра (0.25-2)мкм) или тремя (в области (2-18)мкм) отражениями от образцов. Ошибки измерений п и к составляли (1-2)% в видимом и ультрафиолетовом диапазонах спектра и (2-4)% в инфракрасном диапазоне. В области длин волн Х=(0.12-0.25)

мкм измерена отражательная способность ЩХ) на вакуумном монохро-маторе ВМР-2, и оптические постоянные пик найдены из соотношений Крамерса-Кронига. Значения пик использованы для нахождения спектральных функций: действительной £.\=п2-!^ и мнимой г2=2пк частей диэлектрической проницаемости, отражательной способности ЩХ) и оптической проводимости с=пка/2п. В работе также проведены измерения температурной зависимости постоянной решетки сплавов №2Мп5п, Рс12Мп8п на установке ДРОН-ЗМ и электросопротивления р(Т) всех сплавов компенсационным методом1.

Во второй главе представлены результаты исследований оптических свойств сплавов Гейслера Х2Мп2 со структурой Ь2ь

а) Межзонное поглощение. Сплавы на основе меди, никеля и палладия имеют магнитный момент только на атомах Мл, величина обменного расщепления с!-зоны Мл составляет ~3 эВ [Л1]. Дисперсия кривых оптической проводимости о(ю) указывает на то, что межзонные переходы в сплавах формируют интенсивную полосу квантового поглощения в области Е=(1-8)эВ. Для Рс^МпБп в ферромагнитном состоянии при Т= 77 К край основной полосы поглощения находится при энергии 1.4 эВ. Во всех сплавах обнаружено межзонное поглощение в ИК области спектра, свидетельствующее о наличии низкоэнергетических щелей ь их зонных спектрах.

Расчет диэлектрической функции е2теор(ш) сплавов Си2МпА1, №2МпБп, Р^МпБп [ЛЗ,Л4], выполненный ОПВ методом сильной связи в модели прямых межзонных переходов с учетом матричных элементов, послужил основой для анализа частотной зависимости межзонного по-

1 Измерения электросопротивления р(Т) выполнены В.П.Дякиной.

глощения в этих сплавах. Для Cu2MnAl и Ni2MnSn теоретические кривые е2теор(ш) хорошо воспроизводят основные особенности поглощения, замеченные на опыте: пики при (1.6-2.0) эВ, (3.2-3.5) эВ. Энергетическая протяженность области интенсивного межзонного поглощения определяется шириной общей d-зоны, формируемой d-состояниями атомов X и Мп, и составляет ~8 эВ. Анализ парциальных в'сладов в е2теор(са) показал, что пики на кривых оптической проводимости ст(ю) формируются переходами электронов преимущественно в системе зон со спинами (4). Энергетическое положение края основной полосы поглощения определяется положением свободной части (^(¿Э-зоны. Результаты эксперимента указывают на то, что свободные с1мп(4-)-состояния в сплавах Cu2MnAl и Ni2MnSn находятся на -0.4 эВ ближе к EF по сравнению с таковой в Pd2MnSn. Для Pd2MnSn экспериментально подтверждено наличие интенсивного низкоэнергегического поглощения (пик при Е~ 0.65 эВ). Однако при энергиях фотона Е>1 эВ пики поглощения на кривой в2теор(©) смещены на (1-2) эВ в сторону низких энергий. Последнее указывает на необходимость корректировки модели зонного спектра, особенно таких параметров, как ширина и обменное расщепление d-зоны Мп.

Важную роль в формировании оптического спектра поглощения играют р-состояния Z-атома, которые дают вклад в начальные и конечные состояния при межзонных переходах и гибридизуются с d-состояниями атомов X и Мп, увеличивая амплитуду поглощения. Обнаруженное на опыте понижение интенсивности межзонного поглощения на участке спектра (5-10) эВ в сплавах с Z=In,Al (элементы III группы Периодической системы) по сравнению с Z=Sn,Sb (элементы IV,V

групп) указывает на ослабление р-с1 гибридизации глубоких зонных состояний в этой группе сплавов.

Сплавы Со2Мп2 (2=А1,Оа,81,8п,БЬ) имеют магнитный момент на атомах марганца (цш~(3-3.7)|лв) и кобальта (цсо~(0-5-0.75)цв), а величина обменного расщепления 2ЛЕ0бМ с1-зоны Мп и с!-зоны Со составляет -3 и ~1 эВ соответственно. Зонные расчеты [Л1,Л5] предсказали наличие псевдощели в

с, 1014 С*1

50 40 30

I

50 40 30 20

: Ь с

! а

о/

I 1

Ч '."К

V

У'" -'

ч3_

V

| I 1 1 Яг I '

74

и о

л_I—и

30

10

10

2 4 6 8 Е, эВ

Рис.1. Частотная зависимость оптической проводимости а(ю) сплавов Со2МпА1(1), Со2МпОа(2),

СогМпБп (3), Со2МпБЬ (4). Пунктир - отеор сплава СогМпБп.

системе электронов со спинами (I) в зонном спектре указанных сплавов, возникающей из-за сильного внутриатомного обмена между ионами Мп, что мо-20 жет привести к необычным транспортным свойствам. Поэтому представляло интерес исследовать оптические свойства сплавов Со2Мпг с целью получения информации о специфике их электронной структуры. В сплавах с 2=А1,Са интенсивные межзонные переходы начинаются при энергиях Е>0.3 эВ, в сплавах с 2=81,Бп^Ь-при Е>0.6 эВ (рис.1). Наи-

большую похожесть спектров поглощения проявляют сплавы с 2=51, Бп^Ь. В сплавах с г=А1,Са интенсивность межзонного поглощения при энергиях (Йю>(4-5) эВ) значительно занижена из-за ослабления рч1 гибридизации глубоких зонных состояний.

Расчет электронной структуры, оптических свойств сплава СогМпБп был выполнен С.В.Халилевым. Зонные энергии и волновые функции рассчитаны методом ЛМТО в 264 ¿-точках в 1/16 части зоны Бриллюэна с учетом спин-орбитального взаимодействия. Величина ма-гитного момента на атоме марганца получена Цмп=2.75 Цв, на атоме кобальта Цсо=0.98 Оптическая проводимость ст(ю) была вычислена в модели прямых переходов с учетом матричных элементов. Теоретическая кривая ст^Сю) хорошо воспроизводит замеченные на опыте особенности межзонного поглощения (рис.1). Однако некоторые из них ("наплыв" в ИК области, минимум а, пик Ь) на кривой атеор(ю) смещены в сторону высоких энергий. Это указывает на несколько завышенные теоретические оценки энергетических щелей в зонном спектре. Анализ парциальных вкладов стТ и а4- позволяет заключить, что пики на кривой ст(ю) формируются переходами электронов преимущественно в системе зон со спинами (4-). Энергетическое положение края основной полосы поглощения определяется положением свободной части с1с0(^) и (1мп(1)-состояний относительно уровня Ферми. Значение энергии фотона Е=0.б эВ можно считать пороговым для переходов в системе электронов со спинами (I). Можно заключить, что во всех сплавах энергетическая протяженность области интенсивного межзонного поглощения определяется шириной общей (!-зоны, формируемой ё-состояниями атомов Со и Мп, и составляет ~8эВ.

б) Характеристики электронов проводимости. В инфракрасной области спектра доминирует механизм внутризонного поглощения света, его вклад в диэлектрическую проницаемость описывается форму, . п2 qV

лами Друде-Зинера ЕЛО)) = 1- т—;-= i—5-п—. Для

[а>2 + у2) [со +у )со

каждого сплава были выделена спектральные интервалы, в которых отсутствуют вклады от межзонных переходов. Графики функции l/s1=f(<B2) и диаграммы Арганда e2®=_/(ei) прямолинейны на этих участках. Это дает возможность из наклона прямых определить характеристики электронов проводимости - плазменную частоту Q и частоту релаксации у. На основании Пиу рассчитаны значения удельного электросопротивления роот, которые удовлетворительно согласуются с рст, измеренным на постоянном токе. Значения Q2, у приведены в таблице 1 вместе с данными о температуре Кюри Тс, Мп-Мп расстоянии, магнитном моменте ц в основном состоянии.

В сплавах Co2MnZ (Z=Al,Ga,Sb) обнаружено аномальное поведение дисперсии действительной части диэлектрической проницаемости в ИК области спектра. Это проявляется в том, что функция si Q.) становится отрицательной лишь при Х>5 мкм (Co2MnGa) и Х>6.5 мкм (Со2МпА1), а значения модуля |s(| остаются низкими. Значения эффективной концентрации электронов проводимости, найденные из соотношения Г52=4ле2ЫэфУте, составляют N^-(0.8-2)* 1021 см"3. Все это подтверждает теоретически предсказанное наличие в их зонных спектрах псевдощели в окрестности уровня Ферми. Псевдощель с наиболее низкой плотностью состояний возникает в Со2МпА1. Об этом свидетельствуют отсутствие друдевского вклада в оптическую проводимость а в ПК

области спектра вплоть до Х=18 мкм и необычные электрические свойства - высокое остаточное сопротивление и слабая температурная зависимость рст(Т). В сплавах с величина П2 возрастает в 6-8 раз. Это указывает на существенное увеличение числа носителей заряда в другой спиновой подзоне (Т) или (и) на "замытие" псевдощели из-за усиления р-<1 гибридизации.

Таблица 1

Сплав ТС) К Мп-Мп, А Ц> Цв Ю30 с"2 Ъ 10И с-1

Си2МпА1 630 4.207 4.1 30.0 1.0

СигМпБп 550 4.363 4.1 30.0 3.0

№2Мп1п 308 4.292 3.8 11.4 2.0

И^МпБп 340 4.278 4.1 14.0 1.5

МгМпБЬ 340 4.264 3.3 17.2 3.0

Со2МпА1 697 4.073 4.01 2.5 -

Со2МпСа 694 4.080 4.05 4.0 0.7

Со2Мп81 985 3.995 5.07 21.0 2.0

Со2МпБп 829 4.243 5.08 15.0 0.9

СогМпБЬ 600 4.186 4.52 7.0 1.3

РсЬМпБп 189 4.511 4.26 - -

В третьей главе обсуждаются оптические свойства полуметаллических ферромагнетиков ХМп2 со структурой С1ь, имеющих, согласно зонным расчетам [Л2], полупроводниковую щель в системе электронов со спинами против направления намагниченности на Ер. Исследования проведены с целью получеши информации об электронной

V

ъ 10

о

ь

20

структуре указанных соединений и выяснения механизма формирования их оптических спектров поглощения.

а) Межзоиное поглощение. Доминирующей особенностью спектров оптической проводимости ферромагнитных соединений №Мп8Ь,Р(1Мп8Ь,Р1Мп8Ь,Р1Мп8п является наличие широкой полосы

межзонного поглошения выше 1 эВ с главным максимумом при энергии Е» 3.2 эВ (рис.2). Для АФМ СиМпБЬ с Ты=55 К полоса поглощения расположена в области (0.55-5.5) эВ.

Для изоэлектрон-ных соединений ММпБЬ, РШпБЬ, ¡ЧМпБЬ имеются расчеты спектров оптической проводимости, выполненные скалярно-реля-тивистским методом

ЛМТО в модели прямых переходов с учетом матричных элементов [Л7]. Теоретическая кривая <т"ор(ю) удовлетворительно воспроизводит особенности поглощения, замеченные

.....ЫСМаБЬ й е 1

1/ Я ^ ''ч А \

ь / 1 ■\у 1 1 у 1 . ,.11

1—1 Н V Дь / г О : 1 й РйМггёЬ ■ > ■ I 1

1] - ' о- с л?Ь> Ч!' 1 Р1МпБЬ"

П / • 1 • . 1 ■ 1

1 2 Л 4 5 6 7

Е.ЭВ-»

Рис.2. Частотная зависимость оптической проводимости ПМФ. Сплошная линия - кривая сг™^®) [Л7].

нами на опыте (рис.2). Анализ парциальных вкладов ст=оТ+ст4 показал, что основные особенности на кривых а(<а) сплавов NiMnSb.PdMnSb и PtMnSb формируются, как и в случае сплавов X2MnZ, за счет переходов преимущественно в системе электронов со спинами (4) (dx,Psb(4)-»dMn(4-))- Энергетическое положение края основной полосы поглощения (1 эВ для NiMnSb, 1.4- эВ для PdMnSb,PtMnSb) определяется положением свободной части с^.Ц^-зоны относительно уровня Ферми. Зонные расчеты и результаты эксперимента указывают на то, что свободные с1мп(^)-состояния в NiMnSb расположены на ~0.4 эВ ближе к Ef, чем таковые в PdMnSb и PtMnSb. Ранее было высказано предположение, что резкий подъем кривой ст(со) при энергиях Е>1 эВ связан с включением электронных переходов через полупроводниковую щель в системе зон со спинами (4), ширина которой для NiMnSb AEg~ 0.7 эВ [Л5]. Однако в нашем исследовании для всех сплавов обнаружены пики межзонного поглощения в ИК области спектра, что свидетельствует о наличии низкоэнергетических щелей в их зонных спектрах. Анализ парциальных вкладов ст=ст1Чст4- для сплава NiMnSb дает основание связать первый пик поглощения при энергии 0.45 эВ с электронным переходом Г4->Г3 и считать Е«0.4 эВ пороговой для межзонного возбуждения через полупроводниковую щель.

б)Функция характеристических потерь энергии электронов -Im(e_1). Одной из возможных причин гигантского MOKE в PtMnSb (29=2.5° при Е=1.7 эВ) называют плазменный резонанс. Энергии возникновения плазменных колебаний электронного газа можно определить из анализа частотной дисперсии функции харпотерь. С этой целью изучена эволю-

ция функций С] (co),e2(oci),-Im(s"1 (ш))=е2/(с1 г+е22) при изменении композиции сплава. Показано, что на участке спектра (1-5) эВ они ведут себя однотипно в исследованных нами сплавах. Функция ei(co) имеет нули при 1.35 3B(NiMnSb), 1.5 эВ (PdMnSb,PtMnSb), 2.1 3B(PtMnSn). Однако интенсивность резонансного пика в -1ш(е"1)~0.09 мала во всех сплавах из-за довольно высоких значений В2~10. Таким образом, по данному параметру соединение PtMnSb не выделяется среди других ПМФ с малым эффектом Керра * Следовательно, роль плазменного резонанса в формировании большого МОКЕ в PtMnSb невелика. Как предсказывают расчеты [JI7], эффект усиления особенности 8(ю) вызван попаданием магнитооптического резонанса в область локального минимума оптической проводимости о(ю). Решающую роль в формировании МОКЕ играют положение d-зоны марганца относительно уровня Ферми и условия для межзонного возбуждения электронов в системе зон (1).

в) Характеристики электронов проводимости - плазменная Q и релаксационная у частоты - ПМФ определены так же, как в случае сплавов X2MnZ. Значения Q2, у приведены в таблице 2 вместе

с данными о температуре Кюри Тс, Мп-Мп расстоянии и магнитном моменте в основном состоянии ц,

Известно, что в сплавах Гейслера основными факторами, влияющими на установление магнитного порядка, являются расстояние между атомами марганца и концентрация электронов проводимости. В исследованных сплавах XMnZ (X=Ni,Pd,Pt) и X2MnZ (X=Cu,Ni) (табл.1) не прослеживается четкая корреляция между температурой Кюри Тс и Мп-Мп расстоянием. Вместе с тем в наших исследованиях установлено, что существует корреляция между температурой Кюри Тс и квадратом

плазменной частоты которая в приближении свободных электронов связана с эффективной концентрацией электронов проводимости соотношением П2=471е2Мэф¡т.

Таблица 2

Сплав Тс,К Мп-Мп А Ц, Цв О2, Ю30с"2 ю1 V

№МпБЬ 730 4.186 3.85 36.7 1.7

Рс1Мп5Ь 500 4.444 3.95 28.1 3.2

Р1МпБЬ 575 4.381 3.96 33.2 -

РШпБп 330 4.429 3.52 15.5 2.2

СиМпЗЬ Тм=55 К 4.310 3.9 5.9 2.0

Увеличение квадрата плазменной частоты О2 (равным образом Ыэф) сопрововдает-ся повышением температуры Кюри Тс (рис.3). Таким образом, в обеих группах сплавов (Х2Мп2 и ХМпг) концентрация электронов проводимости является важнейшим фактором в процессах косвенного обменного взаимодействия между атомами марганца и установлении магнитного порядка.

Рис.3. Корреляция между температурой Кюри Тс и квадратом плазменной частоты П2 свободных носителей сплавов Гейслера и ПМФ.

Четвертая глава посвящена изучению влияния температуры и фазового перехода "ферромагнетик(ФМ)-парамагнетик(П)" на оптические свойства сплавов Гейслера №2Мп8п и Р<12Мп5п с целью получения информации о характере перестройки их электронной структуры. Ранее экспериментально зафиксировано изменение дисперсии оптической проводимости в Ре, №, РЗМ и ряде сплавов на их основе при ФМ-П

переходе [Л8,Л9]. Эти изменения, как правило, невелики и наблюдаются на локальных участках спектра. По-

лученные результаты не подтвердили предсказываемое теорией Стонера кардинальное изменение оптического спектра поглощения и дисперсии энергетических зон Е(А) при переходе через Тс. Поиск аномалий в оптическом поглощении при магнитных превращени-

Рис.4. Частотная зависимость оптической проводимости сплава Pd2MnSn при различных температурах:

(-) - 77 К, (-••-) -150 К, (■—) -293 К,

{---) - 450 К, (— •) - 650 К.

На вставке - величина Аст=ст(Т)-ст(77 К)

ях представляется важным для выбора теоретической модели и понимания микроскопической природы фазового перехода.

В настоящей работе в условиях сверхвысокого вакуума 10"8 Па выполнены измерения дисперсии показателя преломления п и поглощения к сплавов Гейслера №2Мп5п и РсЬМпБп в спектральном интервале Е=(0.5-5.2) эВ при температурах (77-660) К. Кривые оптической проводимости <т(<в,Т) РсЬМпБп приведены на рис.4. В области внутризонного поглощения света (Е<1.4 эВ в РёгМпБп, Е<1 эВ в №2Мп8п) наблюдается увеличение интенсивности поглощения, вызванное ростом частоты релаксации электронов проводимости у при повышении температуры.

Обнаружены изменения в дисперсии межзонной оптической проводимости ст(ш) с ростом температуры, включающим переход через Тс. В сплаве Р<12Мп8п наблюдается усиление пика межзонного поглощения при Е=0.65 эВ, что указывает на изменение энергетического спектра электронов в области энергий (0.3-0.6) эВ от уровня Ферми при переходе в парамагнитную фазу. Основная полоса поглощения в №2МпБп и РсЬМпБп, формируемая переходами электронов (1- и р-типа в свободные <1ып(^)-состояния, не испытывает резкого изменения при переходе через Тс. Однако замечены аномалии в поведении ст(ш,Т). Вопреки ожидаемому с ростом температуры сдвигу полос поглощения в низкоэнергетическую область на опыте наблюдается смещение края основной полосы поглощения к высоким энергиям на 0.2 эВ в №2Мп8п и 0.3 эВ в Рс12Мп8п. Наиболее существенное изменение дисперсии ст(со) замечено при Т/Тс >1.4 (№2Мп8п) и Т/Тс £2.38 (Р<12Мп8п) в области энергий фотона Е>2.5 эВ и проявляется в формировании дополнигель-

ных структурных особенностей на участке спектра (3-5)эВ и усилении интенсивности межзонного поглощения.

Результаты проведенных исследований позволяют заключить, что при исчезновении макроскопической намагниченности общая структура энергетических зон Е(к) и их обменное расщепление сохраняются вплоть до температур Т/Тс=1.95 (№2МпБп) и Т/Тс=3.4 (РёгМпБп). Отмеченные выше аномалии в поведении функции о(ш,Т) указьшают на частичную трансформацию электронной структуры сплавов в парамагнитной фазе. Выводы теории {Л 10] позволяют предположить, что в основе оптических аномалий лежит эффект гибридизации ё-зон с противоположными спиновыми проекциями, который вызывает частичное перераспределение плотности с1-состояний в парамагнитной фазе и изменяет условия для межзонных возбуждений электронов.

В приложении даны таблицы значений оптических постоянных пик исследованных сплавов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Проведено систематическое исследование оптических свойств сплавов Гейслера Си2Мпг (г=А1,8п), №2Мпг (г=1п,8п,8Ь), Со2Мпг (£=А1,Са£1,8п,8Ь), Р(12Мп8п и полуметаллических ферромагнетиков ХМпБЬ (Х=Си,№,Рс1,Р1), РОуШБп в широкой спектральной области.

2. В оптических спектрах а(а>) сплавов Х2Мп2; и ХМп2 имеется область интенсивного межзонного поглощения света (Гкв=(0.6-8) эВ), энергетическая протяженность которой определяется шириной общей с1-зоны, формируемой (^состояниями атомов Ми и X (Х=Си,№,Со,Рс1). Во всех сплавах обнаружено межзонное поглощение в ИК-диапазоне, сви-

детельствующее о наличии низкоэнергетических щелей ДЕ«(0.2-0.6) эВ в их зонных спектрах.

3. Частотная зависимость оптической проводимости ст(га) ферромагнитных сплавов Х2Мпг (Х=Си,№,Со; г=А1,5п) и ХМпБЬ (Х=№,Р<1,Р0 удовлетворительно согласуется с данными теоретических расчетов этой функции в одноэлектронном подходе. Особенности в дисперсии ст(со) отождествлены с определенными межзонными переходами электронов. Для №МпБЬ получена оценка полупроводниковой щели в центре зоны Бриллюэна (ДЕ^О.4 эВ) в системе зон со спинами (4-). Показано, что в обеих группах сплавов основная полоса поглощения образуется электронными переходами типа (рг,с1х,мп)-»(с1мп,р2) преимущественно в системе зон со спином (4-).

4. Получены числовые оценки микрохаракгеристик электронов проводимости исследованных сплавов - плазменной О. и релаксационной у частот электронов проводимости. Установлено, что зависимость между И2, пропорциональной ЫЭф, и температурой Кюри Тс сплавов близка к линейной.

5. Экспериментально подтверждено формирование псевдощели в плотности состояний К(ЕР) сплавов Со2Мпг (г=А1,Са,8Ь), предсказанное теоретически.

6. Частотная зависимость функции характеристических потерь энергии электронов -/т(е(ау') изоэлектронных полуметаллических ферромагнетиков ХМпБЬ (Х=№,Рс1,Р0 качественно подобна и имеет близкую по величине амплитуду первого резонансного пика. Это означает, что плазменный резонанс (51=0, е2«0) не является главной причиной формирования гигантского магнитооптического эффекта в РШпЗЬ, а

служит благоприятным сопутствующим фактором для усиления магнитооптической активности этого вещества.

7. Установлено, что оптические спектры поглощения соединений Ni2MnSn и Pd2MnSn не испытывают кардинального изменения при переходе через температуру Кюри. Изменения в дисперсии основной полосы поглощения, связанные с локальной перестройкой энергетического спектра электронов в парамагнитной фазе, обнаружены при более высоких температурах Т/Тс >1.4 в Ni2MnSn и ТЛГС ^2.38 в Pd2MnSn. Предложено объяснение аномальному поведению оптических свойств при Т>Тс.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в работах:

1. Е.И.Шредер, М.М.Кириллова. Оптические свойства и электронные характеристики сплавов Гейслера Cu2MnY и Ni2MnY (Y=Al,In,Sn,Sb)// ФММ (1993) т.76, в.5, с.76-82

2. MMKirillova, E.I.Shreder. Optical Properties and Electronic Characteristics of Ternary Compounds Based on Manganese// 11 International Conf. on Solid Compounds of Transition Elements, Wroclaw, 1994, p.63

3. M.M.Kirillova, A.A.Makhnev, E.I.Shreder, V.P.Dyakina, N.B.Gorina. Interband Optical Absorption and Plasma Effects in Half-Metallic XMnY Ferromagnets// Phys.Stat.SoI.(b) (1995) v.187, p.231-240.

4. Ю.И.Кузьмин, М.М.Кириллова, Ю.В.Князев, Е.И.Шредер. Сверхвысоковакуумная эллипсометрия: Оптика соединений Х2МпУ и XMnY (X=Ni,Pd, Y=Sn,Sb)// XXI съезд

по спектроскопии, Звенигород, 1995.

5. Е.ИШредер, М.М.Кириллова, В.П.Дякина. Оптические, электрические свойства и электронные характеристики сплавов Co2MnZ

(Z=Al,Ga,Si,Sn,Sb) //ФММ(1996) т.81, в.4, c.82-90

6. М.М.Кириллова, Ю.И.Кузьмин, Ю.В.Князев, Е.И.Шредер Спектроэллипсометрическое изучение магнитных фазовых переходов в металлах и сплавах// Между нар. конфер. "Прикладная оптика-96. Рефракто/рефлектрометрия", С.-Петербург, сентябрь 1996 г.

7. М.М.Кириллова, Ю.И.Кузьмин, Ю.В.Князев, Е.И.Шредер. Оптические свойства сплавов Гейслера X2MnSn (X=Ni,Pd) ниже и выше температуры Кюри// ФММ (1997) №6, с.28-36.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Л1. J.Kubler, A.R.Williams, C.B.Sommers. Formation and coupling of magnetic moments in Heusler Alloys.// Phys.Rev.B (1983) v.28, p. 1745-55.

Л2. R.A.de Groot, F.M.Mueller, P.G.vanEngen, K.H.J.Buschow. New class of materials half-metallic ferromagnets.// Phys.Rev.Lett. (1983) v.50, p.2024-27.

ЛЗ. Y.Kubo, S.Ishida, J.Ishida. Optical spectrum of Cu2MnAl// J.Phys.F: MetPhys. (1981) v. 11, p.2443-60.

Л4. Y.Kubo, N.Takakura, S.Ishida. Optical spectra of the ferromagnetic Heusler Alloys.// J.Phys.F: MetPhys. (1983) v. 13, p. 161-174.

Л5. S.Fujii, S.Sugimura, S.Ishida, S.Asano. Hyperfine fields and electronic structure of the Heusler alloys Co2MnX (X=Al,Ga,Si,Ge,Sn) //J.Phys.Cond.Mat. (1990) v.2, p.8583-8589.

Л6. P.A.M.van der Heide, W.Baelde, R.A.de Groot, A.R.de Vroomen, P.G.van Engeu, K.H.I.Buschow. Optical properties of some half-metallic ferromagnets.//J.Phys.F: Met.Phys (1985) v. 15, p.L75-L80.

Л7. Ю.А.Успенский, Э.Т.Кулатов, С.В.Халилов. Микроскопическое

исследование магнитооптической активности в тройных соединениях PtMnSb, PdMnSb, NiMnSb и PtMnSn.// ЖЭТФ (1995) т. 107, вып. 5, с.1708-1721.

JI8. П.Г.Гулецкий, Ю.В.Князев, М.М.Кириллова, Л.М.Сандрацкий. Влияние спинового разупорядочения на оптические свойства железа.// ФММ (1989) т.67, с.279-286.

Л9. M.M Kirillova, Yu. V.Knyazev. The anomalies of optical properties of d- and f-transition metals during magnetic transformations. //Phase Transit. (1991) v.36, p.43-63.

Л10. Л.М.Сандрацкий, П.Г.Гулецкий. Электронная структура возбужденных состояний железа.// ФММ (1989) т.65, с.234-243.

Отпечатано на Ризографе ИФМ УрО РАН тир.80

объем 1 печ.п.формат 60x84 1/16 а.72 620219 г.Екатеринбург ГСГ1-170 ул.С.Ковалевской, 18

российская академия наук

'УРАЛЬСКОЕ отделение институт физики металлов

\ Г

На правах рукописи

Шредер Елена Ивановна

Оптичес кие свойства и электронные характеристики сплавов Гейслера и полуметаллических ферр ома гне тик о в на о снов е переходных с?-металлов

01.04.07 - физика твердого тела

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физ.-мат.наук М.М.Кириллов а

Екатеринбург 1998

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение ...............................................4

1. Методика эксперимента ...................................10

1.1. Связь оптических свойств и электронной структуры веществ................................................10

1.2. Поляриметрический метод измерения оптических постоянных металлов ...................................14

1.3. Объекты исследования ..................................18

1.4. Экспериментальные установки...........................24

1.4.1. Установка для измерения оптических постоянных металлов в видимой и ультрафиолетовой областях спектра .......24

1.4.2. Установка для измерения оптических постоянных металлов в инфракрасной области спектра ...................... 2 6

1.4.3. Сверхвысоковакуумный эллипсометр ....................29

2. Оптические свойства и электронные характеристики сплавов Гейслера со структурой Ь2х ..............................30

2.1. Электронная структура и физические свойства (обзор).... 30

2.2. Межзонное поглощение

2.2.1. Сплавы на основе меди, никеля, палладия..............36

2.2.2. Сплавы на основе кобальта............................52

2.3. Внутризонное поглощение и электронные характеристики... 61

2.3.1. Сплавы на основе меди и никеля ......................62

2.3.2. Сплавы на основе кобальта ...........................68

2.4. Заключение ............................................75

3. Оптические свойства и электронные характеристики полуметаллических ферромагнетиков со структурой С1ь .....77

3.1. Электронная структура и физические свойства (обзор) ...77

3.2. Межзонное поглощение ..................................83

3.3. Оценка ширины полупроводниковой щели в зонном

спектре сплава Ы1МпЗЬ .................................92

3.4. Функция характеристических потерь энергии электронов ..95

3.5. Внутризонное поглощение и характеристики

электронов проводимости ...............................98

3.6. Заключение ..........................................105

4. Температурная зависимость оптических свойств

сплавов Ni2MnSn и Pd2MnSn ...............................106

4.1. Влияние магнитных фазовых превращений на оптические свойства металлов и сплавов (обзор) ..................106

4.2. Особенности температурного поведения оптических характеристик сплавов Ni2MnSn и Pd2MnSn ...............Ill

4.2.1. Внутризонное поглощение ............................111

4.2.2. Межзонное поглощение ...............................117

4.3. Заключение ...........................................125

Основные результаты и выводы..............................12 6

Литература ................................................129

Приложения ................................................138

Введение

Одной из актуальных проблем физики твердого тела является проблема взаимосвязи электронной структуры и магнитного состояния вещества. Успешное применение методов зонной теории для вычисления энергетического спектра ферромагнитных металлов и сплавов позволяет подойти к рассмотрению природы магнитного взаимодействия и его эволюции на микроскопическом уровне.

Большой интерес исследователей в связи с этой проблемой вызывают сплавы Гейслера - магнитные интерметаллические соединения на основе переходных «¿-металлов. Они определяются общей формулой Х2Уг или ХУг, где Х-медь или (¿-металл, У-обычно Мп, г-элемент Ш-У группы Периодической системы, и имеют кристаллическую структуру соответственно Ь2а или С1ь. Исследования нейтронной дифракции и магнитных свойств [1-3] показали, что сплавы Гейслера имеют локализованный на атоме марганца магнитный момент (3 - 3—4 ) Их магнитное состояние изменяется от антиферромагнитного в СиМпЗЬ (ТИ=55 К) , Рс12Мп1п ( Ти-142 К) до сильно ферромагнитного в СогИпвх с температурой Кюри 985 К.

Первопринципные зонные расчеты [4-6] дали картину электронного энергетического спектра сплавов Гейслера, согласно которой в системе спинов по направлению намагниченности сЗ-состояния атомов X и Мп формируют общую с1-зону, расположенную ниже уровня Ферми. В системе спинов против направления намагниченности (¿-зона Х-атома заполнена, а (¿-зона Мп - пустая и расположена на (1-1.5) эВ выше Ег. Отдельную группу сплавов Гейслера образуют сплавы композиции ХМпг, названные полуметаллическими ферромагнетиками (ПМФ) за особенность их электронной структуры: в системе спинов против направления намагниченности (>И уровень Ферми находится внутри полупроводниковой щели, а в системе спинов по направлению намагниченности (1") пересекает энергетические уровни [7]. Интерес к электронной структуре ПМФ возник после экспериментального обнаружения в соединении PtMnSb гигантского магнитооптического эффекта Керра [8], что поставило его в ряд материалов, перспективных для оптоэлектроники.

Систематическое изучение электронной структуры сплавов требует систематических спектроскопических, в частности, оптических иссле-

дований, дающих информацию об электронных состояниях как вблизи уровня Ферми, так и удаленных от него на несколько электрон-вольт, и необходимых для проверки адекватности зонных расчетов. Известны лишь 2 работы, в которых проведены измерения оптической проводимости сплавов Си2МпА1, Си2Мп1п [9] и Ш.МпЗЬ, PtMnSb [10] в видимой и ближней ИК-области спектра, и которые использовались позднее для подтверждения корректности теоретического подхода к расчету зонной структуры сплавов Гейслера [4-6] и ПМФ [7].

Настоящая работа посвящена экспериментальному изучению частотной зависимости оптических характеристик сплавов Гейслера Х2Мпг и полуметаллических ферромагнетиков ХМпг в широком спектральном интервале Е= (0.07-10) эВ с целью получения информации об их энергетическом зонном спектре и параметрах носителей заряда, а также изучению влияния магнитного фазового превращения "ферромагнетик-парамагнетик" на оптические свойства и электронную структуру сплавов.

Конкретные задачи состояли в следующем;

1. Детально изучить межзонное поглощение и интерпретировать его особенности на основе имеющихся расчетов зонного спектра, плотности состояний N(2) и мнимой части диэлектрической функции е2{а>) ((»-циклическая частота световой волны).

2. Определить параметры носителей заряда - плазменную □ и релаксационную у частоты и проследить за их эволюцией при изменении композиции и магнитного состояния сплавов.

3. Изучить частотную зависимость функции характеристических потерь энергии электронов -1гп(е"1) в ПМФ для выяснения роли плазменного резонанса в формировании магнитооптического эффекта Керра.

4. Провести исследование оптических свойств сплавов Ы12МпЗп и Рс12МпЗп в условиях сверхвысокого вакуума в широком интервале температур для обнаружения изменений в оптических спектрах поглощения при фазовом превращении "ферромагнетик-парамагнетик".

Научная новизна. В работе получены следующие новые результаты.

1. Впервые изучена частотная зависимость комплексной диэлектрической проницаемости е (<в) =ех (со)-1б2 (ю) и оптическое поглощение

сплавов Гейслера Си2МпЗп, Рс12МпЗп, Ы12Мпг (Ъ=1п, Бп, ЭЬ) , Со2Мпг {Ъ=А1, Са, 31, Бп, БЬ) и полуметаллических ферромагнетиков РсЗМпЗЬ, СиМпЗЬ, PtMnSn в спектральной области Е=(0.07-10) эВ. Для сплавов Си2МпА1, Ш.МпЗЬ, PtMnSb впервые изучена дисперсия 6(со) в инфракрасном диапазоне Е=(0.07-0.5) эВ.

2. Впервые изучены эффекты межзонного возбуждения электронов в сплавах Гейслера Х2Мпг (Х=Си, Со, Рс1; г=А1,1п, 31, Эп, БЬ) и полуметаллических ферромагнетиках ХМпг (Х=И1,Рс1, Р1:; г=Зп,ЗЬ). Установлено, что межзонное поглощение является доминирующим при энергиях фотона Л<в =(0.6-8) эВ в обеих группах сплавов. Определены энергии низкочастотных межзонных возбуждений, спектральное положение основной полосы поглощения и ее структурных особенностей. Прослежена эволюция оптических спектров поглощения при вариации X и Ъ компонентов.

3. Проведен анализ частотной зависимости межзонного поглощения в сплавах Х2Мп2 (Х=Си, N1, Со, Рс1) и полуметаллических ферромагнетиках ХМпЗЬ (Х=Ы1,Рс1, Р1:) в спектральном интервале (0-7) эВ на основе имеющихся теоретических расчетов зонного спектра, плотности состояний Ы(Е) и дисперсионных кривых а'геор(©) и е2,геор(о)). Получены оценки ряда параметров энергетического спектра электронов этих сплавов.

4. Впервые определены плазменная □ и релаксационная у частоты электронов проводимости сплавов Х2МпИ и ХМпй. Установлена корреляция между величиной О2, пропорциональной эффективной концентрации электронов проводимости Ыэф, и температурой Кюри Тс.

5. Обнаружено аномальное поведение диэлектрических функций б1(оо) и в2 (оо) в сплавах Со2Мпг (2=А1,Оа,ЗЬ) при длинах волн Х>3 мкм. Низкие значения О2, полученные из ИК-измерений, указывают на наличие псевдощели в плотности состояний N(Ег) этих сплавов, предсказанной теоретически для электронов со спином (4о [4].

6. Изучена и проанализирована частотная зависимость функции характеристических потерь энергии электронов -1т (е (а) ~1) полуметаллических ферромагнетиков ХМпг (Х=Ы1,Рс1, р-Ь; Е=ЗЬ,Бп). Отмечено ка-

чественное подобие дисперсии -1т (ъ (со) ~1) на участке спектра (0-5) эВ и низкая амплитуда первого резонасного пика (-0.09).

7. Впервые изучено влияние температуры (Т=(77-650) К) и магнитного фазового превращения "ферромагнетик-парамагнетик" на оптические свойства сплавов Ы12МпЗп и Рс12МпЗп. Обнаружены аномалии в температурном поведении оптической проводимости о(а>) при Т/Тс >1.4 для Ш-гМпЗп и Т/Тс > 2.38 для Рс12МпЗп, свидетельствующие о локальной перестройке электронной структуры сплавов в парамагнитной фазе.

Научная и практическая значимость.

Получена база данных об оптических свойствах большого класса тернарных соединений - сплавов Гейслера на основе марганца (Х2Мпг и ХМпЕ) . Установленные закономерности формирования оптических спектров поглощения и их изменения при варьировании состава способствуют построению общей картины энергетического спектра электронов указанной группы сплавов.

Важное научное значение имеют результаты исследования частотной зависимости диэлектрической проницаемости £(оэ) в области межзонных возбуждений электронов. Эти данные являются надежным тестом для выбора модели зонного спектра сплава и оценки величины обменного расщепления зон 2ДЕ<з марганца и ферромагнитного Х-атома (Ш.,Со) .

Полученные оптическим методом сведения о характере изменения электронной структуры сплавов Гейслера при магнитном фазовом превращении будут полезны для дальнейших теоретических исследований физических свойств ферромагнетиков при конечных температурах, которые проводятся в рамках флуктуационной модели.

Самостоятельную практическую ценность имеют оптические характеристики 16 исследованных сплавов - показателей преломления п и поглощения к, полученные в спектральном интервале (0.1-5) эВ при комнатной температуре, а также температурные зависимости пик сплавов МгМпЗп и Рс12МпЗп, полученные в условиях сверхвысокого вакуума ~10-8 Па. Числовые значения л и к, представленные в 16 таблицах Приложения, позволяют вычислить основные спектральные характеристики сплавов (отражательную способность И., поглощательную А и

излучательную Еа способности), которые могут найти практическое применение при изготовлении оптических устройств.

Диссертация состоит из 4 глав. В первой главе описаны связь оптических свойств и электронной структуры металлов, метод измерений, объекты исследования, экспериментальные установки.

Во второй главе дается обзор литературных данных об электронной структуре, магнитных, электрических, оптических свойствах сплавов Гейслера со структурой Ъ2х. Излагаются результаты исследования их оптических свойств. Обсуждается механизм формирования оптических спектров поглощения. Устанавливается взаимосвязь между микрохарактеристиками электронов проводимости и температурой Кюри.

В третьей главе дается обзор литературных данных об электронной структуре, магнитных, электрических, оптических свойствах ПМФ со структурой С1ь- Представлены результаты исследования оптических спектров поглощения. Изучена эволюция межзонной проводимости и функции харпотерь энергии электронов -1ш(8-1) при изменении композиции сплавов. Сделана оценка ширины полупроводниковой щели в энергетическом спектре сплава Н1МпЗЬ. Устанавливается взаимосвязь между микрохарактеристиками электронов проводимости и температурой Кюри.

Четвертая глава посвящена изучению влияния температуры и фазового перехода ферромагнетик-парамагнетик на оптические свойства сплавов Гейслера Ш-гМпБп и Рс^МпЗп. Дается обзор литературных данных о температурной зависимости оптических свойств и электронной структуры ферромагнитных металлов и сплавов. Результаты экспериментальных исследований обсуждаются на основе теоретической модели [11], учитывающей влияние магнитного разупорядочения на электронную структуру.

Главы 2-4 заканчиваются краткими выводами. В конце работы дается обзор основных результатов и выводов, список публикаций по материалам диссертации и список цитируемой литературы. В приложениях приведены таблицы значений оптических постоянных пик исследованных сплавов.

Диссертационная работа выполнена в лаборатории оптики металлов в соответствии с планом научно-исследовательских работ ИФМ УрО РАН

по темам 1.3.5.5 "Исследование магнитных структур и фазовых превращений в сплавах и соединениях переходных и редкоземельных металлов" (шифр "Магнетизм", № г.р. 01.91.0031780) и 1.3.11.2 "Низкотемпературные свойства особочистых переходных металлов и их сплавов с различными степенями атомного и магнитного порядков" (шифр "Гелий" № г.р.01.96.0003484) при частичной финансовой поддержке Международного научного фонда и Российского правительства (грант № ^1100).

1. Методика эксперимента.

1.1. Связь оптических свойств

и электронной структуры вещества

Взаимодействие электромагнитного поля световой волны с металлом описывается системой уравнений Максвелла. Оптические свойства металла определяются комплексной диэлектрической проницаемостью 6 = 8^/62 = 6^/4710/© [12]. Ее действительная часть определяет в заданном поле величину электростатической индукции 0=б1Е# мнимая часть - плотность электрического тока 7=01Е. В случае изотропного металла 61 и ох - скалярные величины. Можно ввести понятие комплексного показателя преломления п=п-1к. Тогда 6 = п2= (п-1к)2, отсюда б1=п2-к2, 62=2пк= 47101/©, где п - показатель преломления, к - коэффициент поглощения электромагнитной волны. Напряженность электрического поля в металле уменьшается в е раз на пути 5=с/юк, и величина б называется глубиной проникновения света, или толщиной скин-слоя. В оптическом диапазоне (комнатные температуры) она значительно меньше длины волны света X, а длина свободного пробега электрона /=2яъ5г/©«8. Это означает, что на глубине скин-слоя электромагнитное поле можно рассматривать как однородное, и имеет место нормальный скин-эффект .

Поведение электронов в металле, возбужденных электромагнитной световой волной, зависит от конкретного энергетического спектра Е(к) и соотношения между частотой света © и эффективной частотой релаксации у. Для разных участков спектра характерны разные механизмы взаимодействия электромагнитных волн с металлом, и комплексная диэлектрическая проницаемость представляет собой сумму вкладов от этих механизмов. В инфракрасной области поглощение света происходит преимущественно за счет ускорения электронов полем световой волны - это так называемое внутриполосное поглощение. В видимой и ультрафиолетовой областях доминирует квантовое поглощение света с перебросом

электронов из нижних энергетических состояний в свободные верхние (межполосное поглощение).

Вклад внутриполосного механизма поглощения света в функции ег и е2 описывается выражениями Друде-Зинера [12]:

(оз +у ] (ю +у )(й

где О и у=1/х - плазменная и релаксационная частоты электронов проводимости. Частота релаксации характеризует различные механизмы рассеяния энергии световой волны. Для кристаллов кубической симметрии и при любом характере скин-эффекта плазменная частота определяется выражением [12]:

2

СГ =

[у^ (1.2)

«Г

3712Й<

Интеграл берется по поверхности Ферми, V - скорость электрона на поверхности Ферми, с/Яг - элемент поверхности Ферми. В модели свободных электронов величина 0= 4пЫе2/ш (ей т~ соответственно заряд и масса свободного электрона, N - концентрация электронов проводимости) определяет граничную энергию между областью прозрачности металла при ю> О и областью отражения при низких частотах акО. Измерения в инфракрасной области, где преобладает внутриполосный механизм поглощения света, позволяют определить значения у и О.

Когда энергия кванта света оказывается достаточной для переброса электрона из одной энергетической полосы в другую (Ью>ДЕ), вступает в действие механизм межзонных переходов электронов, который на некотором участке спектра сосуществу�