Исследование электрических и магнитных свойств композита α’’-Cd_2,76Mn_0,24As₂(MnAs)_0,25

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’’-Cd_2,76Mn_0,24As₂(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’’-Cd_2,76Mn_0,24As₂(MnAs)_0,25 состоит из 0,8 моля тройного сплава α’’-Cd_2,76 Mn_0,24As₂ 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’’-Cd_2,76Mn_0,24As₂(MnAs)_0,25.

1. Turner W., Fischler A., Reese W. Physical properties of several II–V semiconductors / Phys. Rev. 1961. Vol. 121. P. 759 – 767. DOI: 10.1103/physrev.121.759

2. Steigmann G., Goodyear J. The crystal structure of Cd3As2 / Acta Crystallogr. 1968. Vol. B24. P. 1062 – 1067. DOI: 10.1107/s0567740868003705

3. Pietraszko 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.2210180234

4. Arushanov 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)90020-9

5. Arushanov E. K. II3V2 compounds and alloys / Prog. Cryst. Growth Charact. 1992. Vol. 5. P. 131 – 201. DOI: 10.1016/0960-8974(92)90030-t

6. 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].

7. 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.2021

8. Liang 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/nmat4143

9. Ril 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/s0036023621140059

10. Zdanowicz 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.2170180128

11. Denissen 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.33.7637

12. Celinski 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)90061-4

13. Ali 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/ic403163d

14. Borisenko 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.113.027603

15. Liu 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/nmat3990

16. Wang 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.88.125427

17. Shelkachev 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/s0002337x18110118

18. Li H., He H., Lu H., et al. Negative magnetoresistance in Dirac semimetal Cd3As2 / Nat. Commun. 2016. Vol. 7. P. 10301. DOI: 10.1038/ncomms10301

19. Feng 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.92.081306

20. Aggarwal 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/nmat4455

21. Mekhiya 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/s1063782619110137

22. Li 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/ncomms10137

23. Liu 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.97.085303

24. Nascimento 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/s1516-14392006000100021

25. Marenkin 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/s0036023618140036

26. Govor G. A. First-order phase transition in manganese arsenide / Phys. Solid State. 2015. Vol. 57. P. 871 – 872. DOI: 10.1134/s1063783415050121

27. Marenkin 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/s0002337x18090087

28. Govor 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.2019.05.345

29. Marenkin 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/s0002337x19090069

30. Pashkova 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/s0002337x19090148

31. Aminov 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/s0002337x20090018

32. Ril 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