zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2026-92-8-31-36zldm-2907Research ArticleИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ. ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И КОНТРОЛЯTESTING OF STRUCTURE AND PARAMETERS. PHYSICAL METHODS OF TESTING AND QUALITY CONTROLИсследование электрических и магнитных свойств композита α’’-Cd2,76Mn0,24As2(MnAs)0,25Research of electrical and magnetic properties of the composite α’’-Cd2,76Mn0,24As2(MnAs)0,25СайпулаеваЛ. А.SaypulaevaL. A.

Сайпулаева Луиза Абдурахмановна.

367015, Махачкала, ул. М. Ярагского, д. 94

Luiza A. Saypulaeva.

94, ul. M. Yaragskogo, Makhachkala, 367015

l.saypulaeva@gmail.comАлиевА. М.AlievA. M.

Алиев Ахмед Магомедович.

367015, Махачкала, ул. М. Ярагского, д. 94

Akhmed M. Aliev.

94, ul. M. Yaragskogo, Makhachkala, 367015

АбдулвагидовБ. Ш.AbdulvagidovB. S.

Абдулвагидов Белал Шапиулагович.

367015, Махачкала, ул. М. Ярагского, д. 94

Belal S. Abdulvagidov.

94, ul. M. Yaragskogo, Makhachkala, 367015

МаренкинС. Ф.MarenkinS. F.

Маренкин Сергей Фёдорович.

119991, Москва, Ленинский просп., д. 31; 119991, Москва, Ленинский просп., д. 4

Sergey F. Marenkin.

31, Leninsky prosp., Moscow, 119991; 4, Leninsky prosp., Moscow, 119991

РильА. И.RilA. I.

Риль Алексей Игоревич.

119991, Москва, Ленинский просп., д. 31

Alexey I. Ril.

31, Leninsky prosp., Moscow, 119991

ИсаевИ. А.IsaevI. A.

Исаев Ильяс Абдулович.

367015, Махачкала, ул. М. Ярагского, д. 94

Ilyas A. Isaev.

94, ul. M. Yaragskogo, Makhachkala, 367015

НечушкинЮ. Б.NechushkinYu. B.

Нечушкин Юрий Борисович.

119991, Москва, Ленинский просп., д. 4

Yury B. Nechushkin.

4, Leninsky prosp., Moscow, 119991

МуртазаевА. К.MurtazaevA. K.

Муртазаев Акай Курбанович.

367015, Махачкала, ул. М. Ярагского, д. 94

Akay K. Murtazaev.

94, ul. M. Yaragskogo, Makhachkala, 367015

Институт физики ДФИЦ РАНРоссияInstitute of Physics, DFRC RASRussian FederationИнститут общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН; Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС»РоссияInstitute of General and Inorganic Chemistry, RAS; National University of Science and Technology «MISIS»Russian FederationИнститут общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАНРоссияInstitute of General and Inorganic Chemistry, RASRussian FederationНациональный исследовательский технологический университет «МИСИС»РоссияNational University of Science and Technology «MISIS»Russian Federation2026300820269283136Copyright © Сайпулаева Л.А., Алиев А.М., Абдулвагидов Б.Ш., Маренкин С.Ф., Риль А.И., Исаев И.А., Нечушкин Ю.Б., Муртазаев А.К., 20262026Сайпулаева Л.А., Алиев А.М., Абдулвагидов Б.Ш., Маренкин С.Ф., Риль А.И., Исаев И.А., Нечушкин Ю.Б., Муртазаев А.К.Saypulaeva L.A., Aliev A.M., Abdulvagidov B.S., Marenkin S.F., Ril A.I., Isaev I.A., Nechushkin Y.B., Murtazaev A.K.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.zldm.ru/jour/article/view/2907

Тройные и четверные сплавы на основе дираковского полупроводника Cd3As2 с атомарными или мезоскопическими ферромагнитными включениями — одни из наиболее перспективных функциональных материалов для спинтроники. Цель работы — исследование электрических и магнитных свойств четверного сплава α’’-Cd2,76Mn0,24As2(MnAs)0,25. Испытания проводили в интервале температур 4 – 300 К. Плавку осуществляли вакуумно-ампульным методом из высокочистых элементов As, Cd, Mn на основе данных треугольной фазовой диаграммы Cd3As2 – MnAs – CdAs2. С помощью рентгенофазового, дифференциального термического и микроструктурного анализов выявлено, что α’’-Cd2,76Mn0,24As2(MnAs)0,25 состоит из 0,8 моля тройного сплава α’’-Cd2,76 Mn0,24As2 с ферромагнитными нановкраплениями 0,2 моля MnAs. Кроме того, исследуемый композит — магнитомягкий ферромагнетик (коэрцитивная сила — менее 10 Э) с точкой Кюри 328 К и металлическим типом электропроводности. Электронный тип проводимости и значительное положительное магнетосопротивление говорят о преимущественном влиянии дираковского топологического полуметалла на проводимость композита. Об этом свидетельствуют эффект слабой автолокализации и диамагнитный отклик электронов проводимости Cd3As2. Вместе с тем наличие анизотропного линейного магниторезистивного эффекта свидельствует о влиянии магнитного момента переходного катиона Mn в ферромагнетике MnAs на характер проводимости композита. В слабых магнитных полях в материале наблюдается спин-стекольное поведение с температурой замораживания спинового стекла 240 К. Полученные результаты могут быть использованы, например, при производстве прецизионных датчиков температуры или магнитного поля на основе α’’-Cd2,76Mn0,24As2(MnAs)0,25.

Ternary and quaternary alloys based on the Dirac semiconductor Cd3As2 with atomic or mesoscopic ferromagnetic inclusions are among the most promising functional materials for spintronics. The aim of this study was to investigate the electrical and magnetic properties of the quaternary alloy α’’-Cd2.76Mn0.24As2(MnAs)0.25. Tests were conducted in the temperature range of 4 – 300 K. Melting was performed using the vacuum-ampoule method from high-purity elements As, Cd, and Mn based on data from the triangular phase diagram of Cd3As2 – MnAs – CdAs2. X-ray diffraction, differential thermal analysis, and microstructural analysis revealed that α’’-Cd2.76Mn0.24As2(MnAs)0.25 consists of 0.8 M of ternary α’’-Cd2.76Mn0.24As2 alloy with ferromagnetic nanoinclusions of 0.2 M of MnAs. Furthermore, the studied composite is a soft magnetic ferromagnet (coercivity less than 10 Oe) with a Curie point of 328 K and metallic conductivity. The n-type conductivity and significant positive magnetoresistance indicate the predominant influence of the Dirac topological semimetal on the conductivity of the composite. This is evidenced by the effect of weak self-trapping and the diamagnetic response of the conduction electrons of Cd3As2. Moreover, the presence of an anisotropic linear magnetoresistance effect indicates the influence of the magnetic moment of the transition Mn cation in the MnAs ferromagnet on the conductivity of the composite. In weak magnetic fields, the material exhibits spin-glass behavior with a spin-glass freezing temperature of 240 K. These results can be used, for example, in the production of precision temperature or magnetic field sensors based on α’’-Cd2.76Mn0.24As2(MnAs)0.25.

арсенид кадмиядираковский топологический полуметалларсенид марганцаэлектросопротивлениенамагниченностьмагнитная восприимчивостьcadmium arsenideDirac topological semimetalmanganese arsenideelectrical resistancemagnetizationmagnetic susceptibilityРабота выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 25-42-10022 «Спин-поляризованные структуры в системах полупроводник, дираковский полуметалл-ферромагнетик в качестве новых эффективных компонентов микро-, нано-, магнито- и оптоэлектроники»).ReferencesTurner W., Fischler A., Reese W. Physical properties of several II–V semiconductors / Phys. Rev. 1961. Vol. 121. P. 759 – 767. DOI: 10.1103/physrev.121.759Turner W., Fischler A., Reese W. Physical properties of several II–V semiconductors / Phys. Rev. 1961. Vol. 121. P. 759 – 767. DOI: 10.1103/physrev.121.759Steigmann G., Goodyear J. The crystal structure of Cd3As2 / Acta Crystallogr. 1968. Vol. B24. P. 1062 – 1067. DOI: 10.1107/s0567740868003705Steigmann G., Goodyear J. The crystal structure of Cd3As2 / Acta Crystallogr. 1968. Vol. B24. P. 1062 – 1067. DOI: 10.1107/s0567740868003705Pietraszko A., Lukaszewicz K. Thermal expansion and phase transitions of Cd3As2 and Zn3As2 / Phys. Stat. Sol. (A). 1973. Vol. 18. P. 723 – 730. DOI: 10.1002/pssa.2210180234Pietraszko A., Lukaszewicz K. Thermal expansion and phase transitions of Cd3As2 and Zn3As2 / Phys. Stat. Sol. (A). 1973. Vol. 18. P. 723 – 730. DOI: 10.1002/pssa.2210180234Arushanov E. K. Crystal growth and characterization of II3V2 compounds / Prog. Cryst. Growth Charact. 1981. Vol. 3. P. 211 – 255. DOI: 10.1016/0146-3535(80)90020-9Arushanov E. K. Crystal growth and characterization of II3V2 compounds / Prog. Cryst. Growth Charact. 1981. Vol. 3. P. 211 – 255. DOI: 10.1016/0146-3535(80)90020-9Arushanov E. K. II3V2 compounds and alloys / Prog. Cryst. Growth Charact. 1992. Vol. 5. P. 131 – 201. DOI: 10.1016/0960-8974(92)90030-tArushanov E. K. II3V2 compounds and alloys / Prog. Cryst. Growth Charact. 1992. Vol. 5. P. 131 – 201. DOI: 10.1016/0960-8974(92)90030-tIzotov A. D., Sanygin V. P. Possible mechanism of polymorphic transformation into Cd3As2 / Izv. AN SSSR. 1982. Vol. 18. No. 4. P. 680 – 681 [in Russian].Izotov A. D., Sanygin V. P. Possible mechanism of polymorphic transformation into Cd3As2 / Izv. AN SSSR. 1982. Vol. 18. No. 4. P. 680 – 681 [in Russian].Ril A. I., Marenkin S. F., Volkov V. V., et al. Formation of the α’’-phase and study of the solubility of Mn in Cd3As2 / J. Alloys Comp. 2022. Vol. 892. P. 162082. DOI: 10.1016/j.jallcom.2021Ril A. I., Marenkin S. F., Volkov V. V., et al. Formation of the α’’-phase and study of the solubility of Mn in Cd3As2 / J. Alloys Comp. 2022. Vol. 892. P. 162082. DOI: 10.1016/j.jallcom.2021Liang T., Gibson Q., Ali M., et al. Ultrahigh mobility and giant magnetoresistance in the Dirac semimetal Cd3As2 / Nat. Mater. 2015. Vol. 14. No. 3. P. 280 – 284. DOI: 10.1038/nmat4143Liang T., Gibson Q., Ali M., et al. Ultrahigh mobility and giant magnetoresistance in the Dirac semimetal Cd3As2 / Nat. Mater. 2015. Vol. 14. No. 3. P. 280 – 284. DOI: 10.1038/nmat4143Ril A. I., Marenkin S. F. Cadmium arsenides: structure, synthesis of bulk and film crystals, magnetic and electrical properties (review) / Russ. J. Inorg. Chem. 2021. Vol. 66. No. 14. P. 2005 – 2016. DOI: 10.1134/s0036023621140059Ril A. I., Marenkin S. F. Cadmium arsenides: structure, synthesis of bulk and film crystals, magnetic and electrical properties (review) / Russ. J. Inorg. Chem. 2021. Vol. 66. No. 14. P. 2005 – 2016. DOI: 10.1134/s0036023621140059Zdanowicz W., Kloc K., Burian A., et al. Preparation and structure of (Cd1 – xMnx)3As2 / Cryst. Res. Technol. 1983. Vol. 18. P. 25 – 27. DOI: 10.1002/crat.2170180128Zdanowicz W., Kloc K., Burian A., et al. Preparation and structure of (Cd1 – xMnx)3As2 / Cryst. Res. Technol. 1983. Vol. 18. P. 25 – 27. DOI: 10.1002/crat.2170180128Denissen C., Nishihara H., Gool J., et al. Magnetic behavior of the semimagnetic semiconductor (Cd1 – xMnx)3As2 / Phys. Rev. B. 1986. Vol. 33. No. 11. P. 7637. DOI: 10.1103/physrevb.33.7637Denissen C., Nishihara H., Gool J., et al. Magnetic behavior of the semimagnetic semiconductor (Cd1 – xMnx)3As2 / Phys. Rev. B. 1986. Vol. 33. No. 11. P. 7637. DOI: 10.1103/physrevb.33.7637Celinski Z., Burian A., Rzepa B., et al. Preparation, structure and magnetic properties of (Cd1 – xMnx)3As2 crystals / Mater. Res. Bull. 1987. Vol. 22. P. 419 – 426. DOI: 10.1016/0025-5408(87)90061-4Celinski Z., Burian A., Rzepa B., et al. Preparation, structure and magnetic properties of (Cd1 – xMnx)3As2 crystals / Mater. Res. Bull. 1987. Vol. 22. P. 419 – 426. DOI: 10.1016/0025-5408(87)90061-4Ali M., Gibson Q., Jeon S., et al. The crystal and electronic structures of Cd3As2, the three-dimensional electronic analogue of graphene / Inorg. Chem. 2014. Vol. 53. No. 8. P. 4062 – 4067. DOI: 10.1021/ic403163dAli M., Gibson Q., Jeon S., et al. The crystal and electronic structures of Cd3As2, the three-dimensional electronic analogue of graphene / Inorg. Chem. 2014. Vol. 53. No. 8. P. 4062 – 4067. DOI: 10.1021/ic403163dBorisenko S., Gibson S., Evtushinsky D., et al. Experimental realization of a three-dimensional Dirac semimetal / Phys. Rev. Lett. 2014. Vol. 113. P. 027603. DOI: 10.1103/physrevlett.113.027603Borisenko S., Gibson S., Evtushinsky D., et al. Experimental realization of a three-dimensional Dirac semimetal / Phys. Rev. Lett. 2014. Vol. 113. P. 027603. DOI: 10.1103/physrevlett.113.027603Liu Z., Jiang J., Zhou B., et al. A stable three-dimensional topological Dirac semimetal Cd3As2 / Nat. Mater. 2014. Vol. 13. P. 677 – 681. DOI: 10.1038/nmat3990Liu Z., Jiang J., Zhou B., et al. A stable three-dimensional topological Dirac semimetal Cd3As2 / Nat. Mater. 2014. Vol. 13. P. 677 – 681. DOI: 10.1038/nmat3990Wang Z., Weng H., Wu Q., et al. Three-dimensional Dirac semimetal and quantum transport in Cd3As2 / Phys. Rev. B. 2013. Vol. 88. P. 125427. DOI: 10.1103/physrevb.88.125427Wang Z., Weng H., Wu Q., et al. Three-dimensional Dirac semimetal and quantum transport in Cd3As2 / Phys. Rev. B. 2013. Vol. 88. P. 125427. DOI: 10.1103/physrevb.88.125427Shelkachev N. M., Yarzhemsky V. G. Influence of the crystal structure and impurities of 3D elements on the electronic structure of the topological material Cd3As2 / Non-Organ. Mater. 2018. Vol. 54. No. 11. P. 1157 – 1162 [in Russian]. DOI: 10.1134/s0002337x18110118Shelkachev N. M., Yarzhemsky V. G. Influence of the crystal structure and impurities of 3D elements on the electronic structure of the topological material Cd3As2 / Non-Organ. Mater. 2018. Vol. 54. No. 11. P. 1157 – 1162 [in Russian]. DOI: 10.1134/s0002337x18110118Li H., He H., Lu H., et al. Negative magnetoresistance in Dirac semimetal Cd3As2 / Nat. Commun. 2016. Vol. 7. P. 10301. DOI: 10.1038/ncomms10301Li H., He H., Lu H., et al. Negative magnetoresistance in Dirac semimetal Cd3As2 / Nat. Commun. 2016. Vol. 7. P. 10301. DOI: 10.1038/ncomms10301Feng J., Pang Y., Wu D., et al. Large linear magnetoresistance in Dirac semimetal Cd3As2 with Fermi surfaces close to the Dirac points / Phys. Rev. B. 2015. Vol. 92. P. 081306. DOI: 10.1103/physrevb.92.081306Feng J., Pang Y., Wu D., et al. Large linear magnetoresistance in Dirac semimetal Cd3As2 with Fermi surfaces close to the Dirac points / Phys. Rev. B. 2015. Vol. 92. P. 081306. DOI: 10.1103/physrevb.92.081306Aggarwal L., Gaurav A., Thakur G., et al. Unconventional superconductivity at mesoscopic point contacts on the 3D Dirac semimetal Cd3As2 / Nat. Mater. 2016. Vol. 15. No. 1. P. 32 – 37. DOI: 10.1038/nmat4455Aggarwal L., Gaurav A., Thakur G., et al. Unconventional superconductivity at mesoscopic point contacts on the 3D Dirac semimetal Cd3As2 / Nat. Mater. 2016. Vol. 15. No. 1. P. 32 – 37. DOI: 10.1038/nmat4455Mekhiya A. B., Kazakov A. A., Oveshnikov L. N., et al. Quantum corrections and magnetotransport in 3D Dirac semimetal Cd3 – xMnxAs2 films / Semiconductors. 2019. Vol. 53. No. 11. P. 1439 – 1444. DOI: 10.1134/s1063782619110137Mekhiya A. B., Kazakov A. A., Oveshnikov L. N., et al. Quantum corrections and magnetotransport in 3D Dirac semimetal Cd3 – xMnxAs2 films / Semiconductors. 2019. Vol. 53. No. 11. P. 1439 – 1444. DOI: 10.1134/s1063782619110137Li C., Wang L., Liu H., et al. Giant negative magnetoresistance induced by the chiral anomaly in individual Cd3As2 nanowires / Nat. Commun. 2015. Vol. 6. P. 10137. DOI: 10.1038/ncomms10137Li C., Wang L., Liu H., et al. Giant negative magnetoresistance induced by the chiral anomaly in individual Cd3As2 nanowires / Nat. Commun. 2015. Vol. 6. P. 10137. DOI: 10.1038/ncomms10137Liu Y., Tiwari R., Narayan A., et al. Cr doping induced negative transverse magnetoresistance in Cd3As2 thin films / Phys. Rev. B. 2018. Vol. 97. P. 085303. DOI: 10.1103/physrevb.97.085303Liu Y., Tiwari R., Narayan A., et al. Cr doping induced negative transverse magnetoresistance in Cd3As2 thin films / Phys. Rev. B. 2018. Vol. 97. P. 085303. DOI: 10.1103/physrevb.97.085303Nascimento F., Santos A., Campos A., et al. Structural and magnetic study of the MnAs magnetocaloric compound / Mater. Res. 2006. Vol. 9. P. 111 – 114. DOI: 10.1590/s1516-14392006000100021Nascimento F., Santos A., Campos A., et al. Structural and magnetic study of the MnAs magnetocaloric compound / Mater. Res. 2006. Vol. 9. P. 111 – 114. DOI: 10.1590/s1516-14392006000100021Marenkin S. F., Kochura A. V., Izotov A. D., et al. Manganese pnictides MnP, MnAs, and MnSb are ferromagnetic semimetals: preparation, structure, and properties (a survey) / Russ. J. Inorg. Chem. 2018. Vol. 63. No. 14. P. 1753 – 1763. DOI: 10.1134/s0036023618140036Marenkin S. F., Kochura A. V., Izotov A. D., et al. Manganese pnictides MnP, MnAs, and MnSb are ferromagnetic semimetals: preparation, structure, and properties (a survey) / Russ. J. Inorg. Chem. 2018. Vol. 63. No. 14. P. 1753 – 1763. DOI: 10.1134/s0036023618140036Govor G. A. First-order phase transition in manganese arsenide / Phys. Solid State. 2015. Vol. 57. P. 871 – 872. DOI: 10.1134/s1063783415050121Govor G. A. First-order phase transition in manganese arsenide / Phys. Solid State. 2015. Vol. 57. P. 871 – 872. DOI: 10.1134/s1063783415050121Marenkin S. F., Aronov A. N., Fedorchenko I. V., et al. Calorimetric and magnetic measurements of the transition to MnAs from a ferromagnetic to a paramagnetic state / Non-Organ. Mater. 2018. Vol. 54. No. 9. P. 913 – 917. DOI: 10.1134/s0002337x18090087Marenkin S. F., Aronov A. N., Fedorchenko I. V., et al. Calorimetric and magnetic measurements of the transition to MnAs from a ferromagnetic to a paramagnetic state / Non-Organ. Mater. 2018. Vol. 54. No. 9. P. 913 – 917. DOI: 10.1134/s0002337x18090087Govor G. A., Mitsiuk V. I., Nikitin S. A., et al. Magnetostructural phase transitions and magnetocaloric effect in Mn(As, P) compounds and their composites / J. Alloys Comp. 2019. Vol. 801. P. 428 – 437. DOI: 10.1016/j.jallcom.2019.05.345Govor G. A., Mitsiuk V. I., Nikitin S. A., et al. Magnetostructural phase transitions and magnetocaloric effect in Mn(As, P) compounds and their composites / J. Alloys Comp. 2019. Vol. 801. P. 428 – 437. DOI: 10.1016/j.jallcom.2019.05.345Marenkin S. F., Fedorchenko I. V., Izotov A. D., et al. Physico-chemical analysis of semiconductor-ferromagnetic systems as the basis for the synthesis of magnetically granulated spintronic structures / Non-Organ. Mater. 2019. Vol. 55. No. 9. P. 920 – 926 [in Russian]. DOI: 10.1134/s0002337x19090069Marenkin S. F., Fedorchenko I. V., Izotov A. D., et al. Physico-chemical analysis of semiconductor-ferromagnetic systems as the basis for the synthesis of magnetically granulated spintronic structures / Non-Organ. Mater. 2019. Vol. 55. No. 9. P. 920 – 926 [in Russian]. DOI: 10.1134/s0002337x19090069Pashkova O. N., Izotov A. D., Sanygin V., et al. Ferromagnetism of alloys based on antimony indium doped with Mn and Ni / Non-Organ. Mater. 2019. Vol. 55. No. 9. P. 941 – 945 [in Russian]. DOI: 10.1134/s0002337x19090148Pashkova O. N., Izotov A. D., Sanygin V., et al. Ferromagnetism of alloys based on antimony indium doped with Mn and Ni / Non-Organ. Mater. 2019. Vol. 55. No. 9. P. 941 – 945 [in Russian]. DOI: 10.1134/s0002337x19090148Aminov T. G., Shabunina G. G., Busheva E. V., et al. Magnetic diagram of solid solutions Fex(Cu0.5II0.5)1 – xCr2S4 / Non-Organ. Mater. 2020. Vol. 56. No. 9. P. 931 – 942 [in Russian]. DOI: 10.31857/s0002337x20090018Aminov T. G., Shabunina G. G., Busheva E. V., et al. Magnetic diagram of solid solutions Fex(Cu0.5II0.5)1 – xCr2S4 / Non-Organ. Mater. 2020. Vol. 56. No. 9. P. 931 – 942 [in Russian]. DOI: 10.31857/s0002337x20090018Ril A. I., Fedorchenko I. V., Marenkin S. F., et al. Phase equilibria in a triple system CdAs2 – Cd3As2 – MnAs / J. Non-Organ. Chem. 2017. Vol. 62. No. 7. P. 977 – 987 [in Russian]. DOI: 10.7868/s0044457x17070200Ril A. I., Fedorchenko I. V., Marenkin S. F., et al. Phase equilibria in a triple system CdAs2 – Cd3As2 – MnAs / J. Non-Organ. Chem. 2017. Vol. 62. No. 7. P. 977 – 987 [in Russian]. DOI: 10.7868/s0044457x17070200

The authors declare that there are no conflicts of interest present.