Колоссальный магниторезистивный эффект

Значительный магниторезистивный эффект был выявлен также в частично замещенных манганитах лантана и других редкоземельных элементов со структурой типа перовскита. Их общая химическая формула \[ R_{1-x} A_x MnO_3 \] , где \[ R \] – редкоземельный элемент, \[ A \] – атом металла с меньшей валентностью (напр., \[ K, Na, Ag, Ca, Sr, Ba, Pb \] ). В некоторых из них при криогенных температурах магниторезистивный эффект неожиданно оказался на порядки величины более сильным, чем в слоистых сверхрешетках. Поэтому его назвали "колоссальным магнетосопротивлением" (англ. Colossal magnetoresistance – CMR).

Колоссальный магниторезистивный эффект наблюдается обычно в узком температурном диапазоне вблизи температуры Кюри, которая у некоторых материалов оказывается на уровне комнатной.

Одной из причин этого эффекта является то, что замена в некоторых кристаллических ячейках редкоземельного атома на атом с меньшей валентностью приводит к дополнительной ионизации соседнего атома марганца. Вместо иона \[ Mn^{+3} \] в этих ячейках находится ион \[ Mn^{+4} \] . А он имеет такую же самую внешнюю электронную оболочку, как ион \[ Fe^{+3} \] . Спин неспаренного внешнего электрона создает возможность спонтанного самонамагничивания отдельных областей, – как в ферромагнетиках.

На рис. 10.10 слева показана простейшая кристаллическая решетка, состоящая из кубических ячеек, а справа – только ее подрешетка из ионов марганца, расположенных в центре каждой ячейки.

Рис. 10.10.

Ион \[ Mn^{+4} \] , относительно которого мы проведем расчет, для наглядности выделен большим размером. Нетрудно подсчитать, что он имеет 26 соседних ионов марганца. Из них 6 ионов (на рисунке они средних размеров) удалены от центрального иона на расстояние \[ d \] (период кристаллической решетки), 8 ионов – на расстояние \[ d\sqrt{3} \] , 12 ионов – на расстояние \[ d\sqrt{2} \] . Относительное количество ионов \[ Mn^{+4} \] в кристаллической решетке вещества состава \[ R_{1-x} A_x Mn_3 \] , равно \[ x \] . При \[ x\approx 1/3 \] на расстоянии \[ d \] от иона \[ Mn^{+4} \] находятся в среднем 2 иона \[ Mn^{+4} \] , на расстоянии \[ d\sqrt{2} \] – в среднем 4 иона \[ Mn^{+4} \] и на расстоянии \[ d\sqrt{3} \] – в среднем 3 иона \[ Mn^{+4} \] . Значит, в ближайшем окружении иона \[ Mn^{+4} \] расположено приблизительно еще 9 таких же ионов. Этого оказывается вполне достаточно для спонтанного намагничивания отдельных областей кристалла \[ R_{1-x} A_x Mn_3 (x\geq 0,33) \] , как в ферромагнетиках. Кристалл сам собой разделяется на отдельные, хаотически ориентированные магнитные домены. В каждом домене концентрация свободных носителей заряда с ориентацией спина параллельно направлению намагниченности значительно больше, чем концентрация свободных носителей заряда с ориентацией спина в противоположном направлении. Но поскольку в соседних доменах направление намагниченности разное, то переход электронов проводимости из одного домена в другой затрудняется.

Поэтому при отсутствии внешнего магнитного поля удельное сопротивление таких кристаллов является значительным. Если же появляется сильное внешнее магнитное поле, то намагниченность всех доменов переориентируется в его направлении, и переход электронов проводимости из домена в домен значительно облегчается. Удельное сопротивление быстро падает. Свой существенный вклад может вносить и туннельный магниторезистивный эффект на границах между кристаллическими зернами.

На рис. 10.11 показана зависимость удельного сопротивления \[ \rho \] тонкой пленки манганита \[ La_{0,67} Со_{0,33} МnО_3 \] от индукции магнитного поля \[ B \] (при 250 К). Как видим, удельное сопротивление здесь уменьшается в 12 раз уже при индукции магнитного поля около \[ B \] = 2 Тл. А при индукции \[ B \] = 6 Тл удельное сопротивление становится меньше на 3 порядка величины – приблизительно в тысячу раз.

Рис. 10.11.