Аннотация результатов, полученных в 2021 году
На основе триангуляций тройных систем Ga–Mn–Sb и Al–Mn–Sb были выбраны бинарные соединения, образующие треугольники типа мягкий ферромагнетик – жесткий ферромагнетик – полупроводник (MnSb-GaMn-GaSb и MnSb-AlMn-AlSb, соответственно). Исследования показали, что каждый треугольник образован тремя квазибинарными разрезами эвтектического типа и имеет тройную эвтектику. Предварительные исследования образцов трехфазной системы MnSb-GaMn-GaSb показали, что магнитные свойства такой системы определяются магнитомягкой фазой, поскольку фаза GaMn оказывается в слабомагнитной полиморфной модификации. Чтобы стабилизировать магнитожесткую L-фазу в дальнейшем планируется использовать неравновесные условия синтеза. На данном этапе проводились исследования отдельных разрезов композиционных диаграмм, в частности GaSb-MnSb, для которой было синтезировано несколько составов различной композиции. Для синтеза качественного прекурсора MnSb в кристалл вводился избыток сурьмы, чтобы не допустить избыток марганца, которых существенно ослабляет магнитный отклик системы. На базе полученных соединений системы GaSb-MnSb проводилось исследование влияния кинетики кристаллизации на дисперсность и магнитные свойства включений MnSb, путем вариации параметров закалки кристаллов, получаемых при пересинтезе. Были проведены исследования микроструктуры, показавшие отчетливое пространственное распределение бинарных компонент. Отсутствие детектируемых следов марганца в полупроводниковой компоненте согласуется с низким пределом растворимости марганца в GaSb. Магнитные свойства данной системы определялись фазой MnSb (состав, которой близок к стехиометрическому), однако, фракционная доля данной фазы, определенная из магнитных данных, заметно превышает значение, рассчитанное из состава прекурсора. При исследовании магнетотранспорта обнаружены отрицательно магнетоспоротивление и аномальный эффект Холла, имеющие противоположные знаки изменения амплитуд эффектов с температурой. Для сравнительного анализа полученных результатов был синтезирован поликристалл InSb-MnSb (с применением аналогичной закалочной процедуры), а также проведены магнетотранспортные исследования кристаллов InSb-MnSb с крупными игольчатыми включениями MnSb, синтезированных ранее. Предварительные исследования системы AlSb-MnSb показали, что для неё характерна значительная область расслоения. Рентгенодифракционные исследования поликристаллов арсенида кадмия с добавлением марганца показали, что при увеличении содержания марганца стабилизируется фаза α''- Cd3As2, которая стабильна только при высоких температурах в чистом Cd3As2. Композиционная зависимость параметров ячейки для данных образцов подтвердило формирование тройного раствора замещения. На основании структурных данных, а также результатов ДСК и магнитометрии оценен предел растворимости марганца в арсениде кадмия и показано, что выше этого предела начинают формироваться включения MnAs. Также показан эффект подавления формирования паразитной фазы CdAs2 при синтезе композитных кристаллов на основе MnAs и арсенида кадмия с добавлением марганца, по сравнению со случаем использования чистого Cd3As2. Синтезирована серия композитов Cd3As2–MnAs, для которой исследовалось влияние кинетики кристаллизации на дисперсность и магнитный отклик включений MnAs. Показано, что при уменьшении размеров включений до десятков нанометров происходит заметный рост магнитной жесткости композита по сравнению с образцами с микронными включениями. Были проведены пробные синтезы кристаллов арсенида хрома. Показано, что при повышении температуры синтеза в образце возникает градиент состава, при этом можно выделить область однофазного CrAs, однако сам образец при этом представляет собой спеченный порошок. Проведены первичные синтезы арсенида кадмия с добавлением хрома из нестехиометрического прекурсора. Структурные данные для этих образцов указывают на низкое значение порога растворимости хрома в арсениде кадмия, поскольку уже при малых содержаниях Cr детектируется возникновение включений CrAs. Был проведен цикл работ по получению пленок тройной системы Al-Mn-Sb, а также бинарных соединений AlSb и MnSb методом послоевого осаждения с последующим отжигом в вакууме. Отработаны режимы получения пленок бинарных соединений. Используя готовые прекурсоры различного состава, были получены пленки системы Cd3As2+MnAs. Для исследований на оборудовании ОИ была синтезирована серия композитов Cd3As2:Mn – MnAs. Как уже отмечалось выше, наличие марганца в материале матрицы позволило избежать формирования паразитной фазы CdAs2. Была проведена структурная характеризация, а также предварительные исследования магнитных и магнетотранспортных свойств, показавших наличие выраженного феррмагнитного отклика, связанного с включениями MnAs, а также линейного магнетосопротивления, наблюдаемого при гелиевых температурах. На оборудовании ОИ проведены магнетотранспортные исследования для данной серии, а также охарактеризованы магнитные свойства кристаллов Cd3As2:Cr вплоть до гелиевых температур. По результатам работ, проведенных в отчетном году, было опубликовано 4 статьи, в том числе одна обзорная статья и одна статья в журнале первой квартили Q1.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Разработан синтез высококачественных монокристаллов арсенида кадмия с помощью химических транспортных реакций. На основе уравнения Ленгмюра проведены соответствующие расчеты массопереноса. Получены структурно-совершенные монокристаллы Cd3As2. Проведена триангуляция системы Cd-Mn-As и построена фазовая диаграмма состояния системы Cd3As2-MnAs-CdAs2. Исследованы температурные, полевые и барические зависимости намагниченности композитных кристаллов Cd3As2-MnAs, показавшие подавление температурного гистерезиса вблизи магнитоструктурного перехода в MnAs, а также стабилизацию антиферромагнитной фазы при высоких давлениях. В системе Cd3As2:Mn-MnAs наблюден участок падения низкополевой намагниченности при охлаждении, указывающий на наличие магнитных фрустраций в системе. В рамках сотрудничества с ОИ проведены исследования магнетотранспорта данных композитов. Отмечен рост беспорядка в системе по мере увеличения содержания фазы MnAs. Для всех образцов обнаружено линейное магнетосопротивление высокой амплитуды во всем диапазоне исследованных температур. На фоне данного вклада наблюдаются отчетливые магнетоосцилляции сопротивления, фаза которых оказывается функцией температуры, указывая на температурно-зависимые изменения спектра носителей заряда в исследуемых композитах. Построена фазовая диаграмма системы GaSb-GaMn, показывающая, что в области большого содержания фазы GaMn плавление композитных кристаллов происходит при температурах, заметно меньших, чем температура перетектического распада данного соединения, что открывает возможность эффективной стабилизации магнитожесткой фазы GaMn путём закалки при сравнительно низких температурах. Исследованы магнетотранспортные свойства реперных кристаллов MnSb, демонстрирующих отрицательное магнетосопротивление в области комнатных температур, связанное со спин-зависимым рассеянием носителей заряда на тепловых флуктуациях магнитной подрешётки. Данный вклад, ожидаемо, подавляется при охлаждении. Аналогичным образом ведет себя амплитуда аномального эффекта Холла, однако, в данном случае это объясняется корреляцией данной величины с проводимостью системы. Описаны магнетооптические свойства соединения MnSb, указывающие на наличие температурной зависимости заселенности d-состояний, что вызывает аномальный спад интенсивности магнетооптического сигнала в определённом спектральном диапазоне при охлаждении. Исследованы свойства композитных кристаллов GaSb-MnSb. Показано, что магнитные и магнитопотические свойства данных систем определяются исключительно фазой MnSb, присутствующей в форме изолированных микронных включений. При этом, магнетосопротивление и эффект Холла содержат вклады обоих компонент. Так, в области комнатных температур магнетотранспортные свойства композита качественного аналогичны свойствам чистого MnSb. Однако, при уменьшении температуры (примерно ниже 25 К) доминантный вклад вносит матрица GaSb с малым количеством растворённых атомов марганца. Данная смена доминантных вкладов хорошо иллюстрируется параметрической зависимостью амплитуды аномального эффекта Холла от сопротивления композита. По результатам работ, проведенных в отчетном году, было опубликовано 7 статей, в том числе одна обзорная статья и одна статья в журнале первой квартили Q1, сделано 6 докладов на 3 международных конференциях.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Оригинальным методом из газовой фазы, минимизирующим турбулентность при массопереносе, были получены структурно-совершенные монокристаллы Cd3As2, уникальные по размерам и массе 25 г. Это рекордное достижение для Cd3As2 (результаты представлены в сборнике тезисов). Из монокристаллов были изготовлены 5 образцов размерами 3х1х1 мм и переданы в физические центры для изучения гальваномагнитных свойств в диапазоне температур от 4 до 350 К, в частности, в условиях высоких барических давлений. Используя часть полученных монокристаллов в виде прекурсора были синтезированы тонкие пленки Cd3As2 на подложках из ситалла, сапфира и монокристаллического кремния. Было показано, что на морфологию и структурное совершенство пленок в основном влияет температура подложек. Получена серия пленок на подложках в интервале температур 25-175 °С. Металлографические исследования показали, что с ростом температуры подложек возрастает размер кристаллитов в пленках. Это подтверждали электромагнитные измерения. Пленки обладали положительным магнетосопротивлением, величина которого увеличивалась с ростом температуры подложки. Линейный характер резкого изменения сопротивления от магнитного поля, имеющий место для пленок, полученных при 175 °С может представлять практический интерес при использовании их качестве сенсоров магнитного поля (результаты представлены в сборнике тезисов). Закончено изучение порога растворимости Cr в Cd3As2 и сопутствующих фазовых превращений. Так равновесный состав таких кристаллов представлен тремя фазами – Cd3As2, Cd и CrAs. Показано, что крупные агломераты хром-содержащих включений представляют собой структуры ядро оболочка с выраженным градиентом содержания хрома. На основании полученных данных подготовлена иотправлена в журнал статья ([A.I. Ril’, L.N. Oveshnikov, A.V. Ovcharov and S.F. Marenkin, Synthesis and phase composition of Cd3As2 Dirac semimetal crystals doped with Cr находится на рецензии в журнале Materials Characterizationc]). Изучено взаимодействие Cd3As2 с FeAs и CoAs, которое в отличие от Cr, носит эвтектический характер. Эвтектический тип этих систем позволяет приготавливать композитные сплавы для прекурсоров метода вакуумно-термического напыления и как следствие применить этот метод для получения тонких пленок, наряду с магнетронным напылением. Вакуумно-ампульным методом были синтезированы 8 сплавов композитов Cd3As2 и MnAs. Сплавы отличались как по составу и дисперсностью фаз. Комплексные исследования электромагнитных свойств позволили установить корреляции между электропроводностью, намагниченностью, температурой Кюри и коэрцитивной силой связанные как составом, так и дисперсностью фаз. В композитах увеличением содержания MnAs росла намагниченность и возрастала температура Кюри. С увеличением дисперсности в композитах росла коэрцитивная сила. Показано при увеличении скорости кристаллизации, растёт дисперсность и однородность распределения фаз в композитах. В дальнейшем, это учитывалось при синтезе прекурсоров для получения композиционных плёнок. Проведена характеризация магнетотранспортных свойств кристаллов Cd3As2:Mn-MnAs в широком диапазоне составов. Показаны сохранение линейного характера магнетосопротивления высокой амплитуды, а также незначительное изменение концентрации носителей, вплоть до 25 мол.% MnAs. Методом вакуумно- термического напыления получены серии тонких композитных пленок из прекурсора состава 30 мол% Cd3As2 и 70% мол% MnAs на подложки при 300 и 427К. Пленки согласно МСМ и магнитооптических измерений являлись ферромагнетиками. В пленках размер кристаллитов фаз, как Сd3As2, так и MnAs возрастал с увеличением температуры подложки, однако при этом падала однородность распределения фаз. Это коррелировало с данными электромагнитных измерений. Магнетосопротивление в пленках было отрицательным, максимальным оно было в пленках, полученных при 300К температуры подложки. Магнетосопротивление достигало при комнатных температурах около 6% в магнитном поле насыщения 0.15 Т. Вид зависимости сопротивлении пленок от магнитного поля, свидетельствовал о наличии спиновой поляризации (результаты представлены в сборнике тезисов). Исследована серия плёнок, полученных из прекурсоров Cd3As2+MnAs с различным содержанием магнитной компоненты. Показано, что магнитооптический отклик таких систем является функцией среднего содержания марганца. Так при большом содержании марганца спектр оказывается схожим со случаем чистого MnAs, тогда как при меньшем содержании проявляются дополнительные эффекты, указывающие на присутствие существенного количества наноразмерных магнитных включений в системе. По системе Ga-Mn-Sb. Опубликована статья по исследованию фазовой диаграммы системы GaSb- GaMn в 2022 году. [S.F. Marenkin, D.E. Korkin, M. Jaloliddinzoda, L.N. Oveshnikov, A.I. Ril’, A.V. Ovcharov, Phase diagram of the semiconductor GaSb – ferromagnet GaMn system, Materials Chemistry and Physics, 300, 127549 (2023)]. Завершены исследования по разрезу GaSb-GaMn, это позволило выявить область, в которой возможен синтез сплавов GaMn при температурах ниже перитектического распад, что открывает перспективы разработки условий стабилизации метастабильной фазы GaMn, являющейся перспективным магнитотвердым ферромагнетиком. По разрезу GaSb-MnSb синтезированы два состава один – эвтектического состав, другой – заэвтектического состава с большим содержанием MnSb. Сплавы были закристаллизованы с разными скоростями охлаждения. Относительная разность в скоростях составляла 600. Это определяло дисперсность фаз. Разная дисперсность осуществлено влияло на электромагнитные свойства композитов. Образец эвтектического состава, закристаллизованный при высокой скорости охлаждения, показывал отрицательное магнетосопротивление, и согласно металлографическим измерениям распределение фаз в данном композите было однородным с их размерностью на нано уровне. Такие образцы представляют нам оптимальными прекурсорами, для синтеза композитных пленок. Использование прекурсора с высокой степенью однородности распределения фаз способствует стабилизации потоки испарения. Это важно для таких методов получения композитных пленок, как магнетронного напыления, лазерной абляции, вакуумно-термического напыления и др. На примере этих исследований возможно разработка технологи синтеза прекурсоров и для других систем эвтектического типа (результаты представлены в сборнике тезисов и в статье, принятой к печати). Ввиду наличия значительных областей расслоения и не смешивания в системе AlSb-MnSb, для получения композитных плёнок был использован метод послойного напыления металлов. Приготовлены серии пленок Al, Mn, Sb различной толщины, были установлены корреляций между скоростями напыления этих металлов. Это позволило по толщинам пленок, подобрать условия получения состава 50 мол% AlSb и 50 мол% MnSb. Пленки такого состава были приготовлены подложках из ситалла, кремния и сапфира. В качестве основного метода анализа использовали РФА. Выяснилось, что для пленок на ситалловых и сапфировых подложках этот метод работает плохо. Значительное количества пиков на рентгенограммах затруднял их расшифровку. Лучше это обстояло с кремниевыми подложками. На пленках, полученных на таких подложках, пики фаз идентифицировались. Синтез проводили с помощью термического отжига в условиях высокого вакуума. Согласно данным РФА, СЭМ и АСМ оптимальными условиями являлись температура отжига 500 °С и время не менее 3ч. Продолжаются исследования по изучению электромагнитных свойств композитных пленок. По результатам работы опубликовано 2 статьи в том числе в журнале первой квартили Q1, одна статья принята к печати, две статьи отправлены на рассмотрение, сделано 4 доклада на 2 международных конференциях.