Ферримагнитный полупроводниковый материал

 

Изобретение относится к области изыскания материалов, которые могут найти применение как ферримагнитные полупроводники при создании элементов памяти, а также в многофункциональных приборах и интегральных схемах. Технический результат - создание материала, обладающего одновременно ферримагнитными свойствами при комнатной температуре и полупроводниковыми свойствами. Предложен ферримагнитный полупроводниковый материал, представляющий собой твердый раствор дителлурида железа в тетрателлуриде трихрома при следующем соотношении компонентов, мол.%: дителлурид железа 3-12, тетрателлурид трихрома 88-97. Предложенные твердые растворы обладают магнитными свойствами при комнатной температуре (температура Кюри 300 К), что позволяет их использовать в приборах не требующих специального охлаждения. Значение намагниченности составляет 90-100 у.е. По величине удельного сопротивления при различных температурах предложенный материал можно отнести к полупроводникам (удельное сопротивление при 300 К составляет (0,7-7,6)·10 ом·см, при 77 К 60-80 ом·см). Уникальное сочетание полупроводниковых и магнитных свойств твердых растворов делает их перспективными для широкого практического использования. 1 табл.

Изобретение относится к области неорганической химии, конкретно к твердым растворам дителлурида железа в тетрателлуриде трихрома, которые могут найти применение как ферримагнитные полупроводники при создании элементов памяти, а также в многофункциональных приборах и интегральных схемах.

Данный твердый раствор относится к классу халькохромитов элементов восьмой и шестой групп Периодической системы [1].

Наиболее интересным с практической точки зрения из этого класса веществ являются твердые растворы железа Cr_7-xFe_xTe₈ и Cr_xFe_2-xTe₃ (x=0-2) в теллуриде хрома [2, 3]. Эти твердые растворы характеризуются тем, что они кристаллизуются в гексагональной сингонии с кристаллической структурой типа NiAs. Данные твердые растворы могут быть получены многократной прокалкой при 950^oC соответствующих количеств элементов в эвакуированных кварцевых ампулах [4].

Однако описанные выше твердые растворы железа в теллуриде хрома обладают магнитными свойствами при комнатной температуре, но не обладают полупроводниковыми свойствами, что не позволяет при их использовании в электронных приборах применять для их управления одновременно магнитное и электрическое поле.

Ближайшим решением поставленной задачи является ферримагнитный полупроводниковый материал - сульфохромит железа FeCr₂S₄, имеющий температуру магнитного упорядочения 177 - 200. Сульфохромит железа получают путем взаимодействия карбонильного железа, серы и трихлорида хрома в эвакуированной кварцевой ампуле при 1170 - 1220 K с последующим удалением образовавшегося FeCl₂ кипячением в дистиллированной воде [5].

Описанный материал обладает одновременно полупроводниковыми и магнитными свойствами, однако магнитные свойства присущи этому материалу только при пониженной температуре (т. е. ниже комнатной), что создает определенные трудности при использовании этого материала в различных приборах.

До настоящего времени не было найдено халькохромита элементов шестой и восьмой групп, обладающего одновременно магнитными свойствами при комнатной температуре и полупроводниковым характером проводимости.

Целью данного изобретения является изыскание материала, обладающего полупроводниковым характером проводимости и одновременно ферримагнитными свойствами при комнатной температуре.

Согласно изобретению указанная цель достигается тем, что ферримагнитный полупроводниковый материал представляет собой твердый раствор дителлурида железа FeTe₂ в тетрателлуриде трихрома Cr₃Te₄ при следующем соотношении компонентов, мол.%: FeTe₂ 3 - 12; Cr₃Te₄ 88 - 97.

Твердый раствор дителлурида железа в тетрателлуриде трихлора получают путем взаимодействия стехиометрических количеств железа, хрома и теллура в эвакуированной ампуле при температуре 950^oC с последующим отжигом при 600^oC в течение 800 часов. Выход поликристаллического продукта 98%.

Монокристаллы данного твердого раствора получают из предварительно синтезированного поликристаллического продукта методом направленной кристаллизации в печи с температурным градиентом.

При содержании FeTe₂ выше 12% снижается намагниченность твердого раствора и температура перехода в ферримагнитное состояние (температура Кюри). При концентрации дителлурида железа менее 3% полупроводниковые свойства не проявляются.

Отличительной особенностью предлагаемого изобретения является то, что ферримагнитный полупроводниковый материал представляет собой твердый раствор дителлурида железа в тетрателлуриде трихрома при вышеуказанном соотношении компонентов.

Твердый раствор FeTe₂ : Cr₃Te₄ имеет конгруэнтный характер плавления, T_пл = 1560^oC, кристаллизуется в гексагональной сингонии с параметрами элементарной ячейки a=3,93 А, c=5,95 и величину микротвердости 80 ГПа. Величины удельного сопротивления составляют (0,7-7,6)·10 Ом·см при 300 K, при температуре 77 K - 60 Ом·см.

Из приведенных характеристик видно, что величина удельного сопротивления уменьшается с ростом температуры, то есть полученный материал - полупроводник.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1.

Навески 0,0089 г железа, 0,2226 г хрома и 0,7685 г теллура (что соответствует стехиометрическому составу твердого раствора, содержащего 10 мол.% FeTe₂ и 90 мол.% Cr₃Te₄) загружают в кварцевые ампулы. Ампулы откачивают до остаточного давления 2·10^-3 Па, отпаивают и помещают в печь, температуру которой медленно (20 град/час) повышают до 950^oC и выдерживают при этой температуре 170 час, затем медленно охлаждают до комнатной. После синтеза образцы растирают в агатовой ступке, вновь загружают в кварцевые ампулы, которые затем откачивают, отпаивают и отжигают при 600^oC 800 час. Выход твердого раствора составляет 0,9800 г (98%).

Из данного образца методом направленной кристаллизации получают монокристаллы размером 2x2x1 мм.

Параметры полученной фазы контролируют по данным дифференциально-термического анализа (на кривой нагревания до 1200^oC присутствовал только один эффект при 600^oC, соответствующий температуре фазового перехода в Cr₃Te₄), по данным рентгенофазового анализа на рентгенограмме отсутствовали линии, характерные для Cr₃Te₄ и FeTe₂, а также линии, характерные дли Cr, Fe и Te; параметры элементарной ячейки фазы твердого раствора составляли a=3,93; c= 5,95. Эти данные свидетельствуют о том, что полученный твердый раствор однороден.

Аналогично получают твердые растворы других составов. Данные по магнитным и полупроводниковым свойствам образцов разных составов приведены в таблице.

По сравнению с ближайшими аналогами полученные твердые растворы дителлурида железа в тетрателлуриде трихрома отличаются тем, что обладают магнитными свойствами при комнатной температуре (температура Кюри 300 K), что позволяет их использовать в приборах, не требующих специальной системы охлаждения.

По величине удельного сопротивления при различных температурах данные твердые растворы можно отнести к полупроводникам, тогда как их аналог Cr₃Te₄ является металлом.

Уникальное сочетание полупроводниковых и магнитных свойств твердых растворов дителлурида железа в тетрателлуриде трихрома делает их перспективным материалом для широкого практического использования.

Литература 1. Белов К. П., Третьяков Ю.Д. и др. "Магнитные полупроводниковые халькогенидные шпинели", М., Изд-во МГУ, 1981, с. 279.

2. Makovetskyi G. I. Magnetic Proerties of the Cr_7-xFe_xTe₈ (x=0 to 3) System. Phys. Status Solidi (a) 1983, 78, K39.

3. Terzieff P. The Magnetism of the NiAs-Type Solid Solution Cr_xFe₂Te₃. Physica 1983, 122B, 43-48.

4. Еремин К.В., Конешова Т.И., Новоторцев В.М. Исстедование физико-химического взаимодействия FeTe₂ с Cr₃Te₄ в тройной системе Fe-Cr-Te. ЖНХ 1992, т. 95, N 10, с. 2629-2633.

5. Индосова В.М., Сухвало С.В. и др. Получение и свойства монокристаллов сульфохромита железа. Изв. АН СССР, сер. Неорганические материалы, 1983, т. 19. N 2, с. 197-199.

Формула изобретения

Ферримагнитный полупроводниковый материал, включающий железо, хром и халькоген, отличающийся тем, что материал представляет собой твердый раствор дителлурида железа в тетрателлуриде трихрома при следующем соотношении компонентов в твердом растворе, мол.%: Дителлурид железа - 3 - 12 Тетрателлурид трихрома - 88 - 97

РИСУНКИ

Рисунок 1