REVISTA MEXICANA DE FíSICA 44 SUPLEMENTO .l. 67-70 DICIEMBRE 1998

Estructura cristalina y correlación de espines en aleaciones de(Agln)o5MnTe2 y (Culn)o5MnTe2

R. Tovar y M. QuinteroCentro de Es/udios de Semiconductores, Facultad de Ciencias, Universidad de Los Andes

Mérida 5101, Venezuelae-mail: rtovar@ciens.ula.ve

R. Fouret y P. DerrolezLabora/aire de Dynamique el Srruclllre des Matériaux Moléculaires. U"iversiré de Lille I

59655 Vil/elleuve d'Aseq Cedex, Franee

E Bouree y B. HennionÚ1borllwire Léo" Bri/louin, CEN Sacla)'F-91 191 Gifsur Yvetre Cedex, Frailee

Recibido ellO de enero de 1998; aceptado el 14 de enero de 1998

Se prepararon muestras policristalinas de las aleaciones (Agln)O.5MnTc2 y (Culn)O.5MnTe2 utilizando la técnica de fusión y recocido. Conla finalidad de obtener muestras con diferente grado de orden cristalográfico y magnético se utilizaron dos tipos de tratamiento térmico:(i) recocido a 600°C y templado; (ii) recocido a 300°C seguido de un enfriamiento lento. Las medidas de susceptibilidad magnética enfunción de la temperatura muestran una transición para-antiferromagnética. la presencia de fases vidrio de espín y que los valores de latemperatura de Curie-Weiss varían con el tratamiento térmico. Sin embargo. las medidas de difracción de neutrones en polvo (high resolutionpowder diffraction) revelan que independientemente del tratamiento térmico la estructura de (Agln)o.sMnTez y (Culn)o.sMnTe2 es zinc-blenda desordenada. A baja temperatura no se observa orden magnético de largo alcance en ninguna de las muestras estudiadas. No obstantela presencia a baja temperatura de picos magnéticos difusos evidencia la correlación entre los espínes. Estos picos pueden ser indexados(1, O, ~). (1, 0, ~) y (2, 1, ~); y corresponden a un orden de corto alcance anliferromagnético de tipo III (AFM-III). La longitud de correlaciónes estimada a partir del ancho a media altura (FWHM) de estos picos.

Descriptores: Susceptibilidad magnética; muestras policristalinas; correlación de espines

Polycristalline samples of (Agln)o.sMnTe2 and (Culn)o.sMnTe2 alloys were prepared by a mol! and annealing technique. followed bydifferent heat treatments (anncaled at 600°C and qucnchcd to room lempcraturc or annealed al 300°C and slow cooled lo room lempcrature)in order lo get different degrees of cryslal and magnetic order. However neutron powder diffraclion data of these samples revealed the samedisordered zinc-blende slructure for all of them (high resolution powder diffraction al T == 300 K). No long range magnclic order is obtaincd(T;;:; 1.2 K) in any of(hese alloys; spin correlalions are howevcr evidenced at low lemperature by the exislence ofbroad. Lorentzian shaped.magnetic Bragg peaks in Ihe neulron diffraction dala: these peaks can he labeled as (1, O, ~), (1, O, ~) and (2, 1, ~). and correspond to aIYpe 1011 antiferromagnelic order (fcc crystal unit ceU). From the value oftheir full widlh at half maximum (FWHM) a magnetic correlalion¡ength is deduced (T = 1.2 K).

Keywords: 61.66.Dk

PAes: Magnclic susceplibilily; polycristalline samples; spin correlations

I. Introducción

La, aleaciones semicondueloras semimagnélicas (ASSM),también conocidas corno aleaciones magnéticas diluidas(AMD). son materiales semiconductores en los cuales unafracción de los átomos de la subrcd catiónica son substituidospor átomos magnéticos. Las AMD que han sido más amplia-mente estudiadas son las hasadas en semiconductores bina-rios A1Bv1 del tipo Ap_zMnzBvi, en las que el manganesoocupa al azar las posiciones de los átomos del grupo 11. Esposible lambién producir AMD introduciendo Mn en semi-conductores ternarios de coordinación tetraédrica AIBIIIC~I

análogos de los AIIBlv; para así obtener aleaciones dellipo(A IBIII) 1_,Mn,CYI.

Se ha determínado que las propiedades magnéticas y6pticas de las aleaciones, (AIBIII)¡_,Mn,CY¡ dependen deltratamiento térmico utilizado durante su fabricación [1 J. Estadependencia ha sido atribuida a la manera como se distribuyeel manganeso en la subred catiónica '1 l, aunque la presenciade fases de vidrio de espín en todas estas aleaciones indicanuna distribución al azar de los iones paramagnéticos [2j.

En este trabajo se hace una caracterización mediante di-fracción de neutrones de muestras preparadas con diferen-les tralamienlos térmicos de las aleaciones (Agln)o.5MnTe,y (Culnlo.5MnTe,.

68 R. TOVAR et al.

g(Q) = ¿[AIJo(QR¡) + BIJ,(QR,)], (5)';'0

el factor de Debye-Waller (agitación térmica), bA, bu Y b.\1son las longitudes de difusión coherente, mientras que bAi.

bBi Y b,~fi son las longitudes de difusión incoherente. Fh esel factor de estructura. En la Ec. (4), S denota el espín delmanganeso, f(J) el factor de fmma magnético, .\ es el ra-dio giromagnético, r. el radio clásico del electrón y g(Q) esel término que proviene de la correlación de los espines; laexpresión de g( (J) es la siguiente:

I --B, = S(S + 1) (So, S,,)

I - - ---2(So,' SI,) + (So.' S,.))J. (7)

Las funciones esféricas de Bessel Jo Y J2 provienen del pro-medio de todas las direcciones del espín y además de la sime~tría axial del tensor de espín con respecto a los vectores R¡.Para el rango de valores de Q del presente trabajo se cumpleque .12(Q R¡) '" - Jo (Q R¡) , por lo tanto es posible determi-nar Al - Bl del ajuste de las líneas magnétil:;}s con la Ec. (4).

2. Detalles experimentales

Se prepararon muestras policristalinas de las aleaciones(Aglnlo5MnTe2 y (CulnJo5MnTe2 mediante la técnica usualde fusión y recocido. Los elementos puros constituyentes decada muestra en proporciones estcquiométricas (5 gr.) se in-troducen en cápsulas de cuarzo previamente carhonizadas yse sellan al vacío. Seguidamente se funden a 1150°C, se man-tienen a esta temperatura por un lapso de 1 hora para luegoser sometidas al tratamiento térmico correspondiente. Conla tinalidad de ohtener muestras con diferente grado de or-den cristalográfico y magnético se prepararon dos series demuestras sometidas a diferentes tratamientos térmicos: (i) rc-coddo a 600°C y templado a la temperatura ambiente (en losucesivo Agln600 o Culn600); (ii) recocido a 300'C segui-do de un enfriamiento muy lento al amhiente (en lo sucesivoAgln300 o Culn300).

Una primera serie de experiencias se realizaron con el di-fractómetro de polvo de alta resolución 3T-2 en el reactorOrphée del laboratorio Léon Brillouin. Este instrumento em-plea un haz de neutrones monocromático con longitud de on-'da de 1.2268 A y una intensidad de 5 x lO' cm-2s-1 Otraserie de medidas se llevaron a cabo en el mismo lahoratoriocon el espectrómetro G4-3 (.\ = 2.662 A).

3. Teoría

donde

.•1, =1--

S(S + 1) (So' S,) . (6)

Las componentes de los espectros de difracción de neutro-nes de (Agln)05MnTe2 y (Culn)05MnTe2 son las siguien-tes: (i) dispersión elástica coherente (Bragg); (ii) dispersióntérmica inelástica coherente difusa; (iii) dispersión incohe-rente y (i\') dispersión magnética difusa. Las tres primerascomponentes están relacionadas con la dispersión neutrónicapor los núcleos cristalinos, mientras que la última compo-nente proviene de la interacción entre los electrones de losiones magnéticos con el momento magnético de los neutro-ne~. En este trahajo se utiliza el modelo propuesto por Haldenel al. l4] para aleaciones Znl_~ ~1n.:Te. Las expresiones quedescriben la'i cuatro componentes antes mencionadas. para elcaso de muestras policristalinas en polvo y de dispersión deneutronl:S no polarizados son la..,siguientes:

.\3S .\hFh26(26 - 26h)CI-2"',),,_~____ (1)2¡ra3 L-. sen eh sen 20h

h

s {b~ + [Ib,\{ + (1 - x)(bA + bi,))'} [1 - e(21V,)]. (2)

S{x(I -.r)(bA _b.\I)2 +J'b~¡, + (1 -.r)b~ +b~}, (3)

2;VS(S + 1)(",,)' 1 f(Q) l' [x + :r'b~.Jg(Q). (4)

dunde a es el parámetru de la red, .\ la longitud de onda delos neutrones N un factor de normalización, Ah la multi-plicidad de l~ líneas de Bragg en Q = ;;, Q es el vectorde transferencia de momento. B el ángulo de Bragg, y n"h

4. Resultados y discusión

La rig. I muestra los patrones de difracción a tcmpera~tura ambiente de 1" muestras Agln600 y Agln300 res-pectivamente. Puede apreciarse. contrario a lo esperado.que los resultados correspondientes a Agln600 y Agln300son prácticamente idénticos. Las intensidades de los pa-trones de difracción fueron evaluados mediante el métodode Rietveld. Todas las rellexiones fueron indexadas en elgrupo espacial F43m ohteniéndose valores muy similaresde los parámetros cristalográficos la = 6.2629(2) A paraAgln600, y (/ = 6.3722(2) A para Agln300]. En el caso de(Culn)o,sMnTez se obtuvieron de nuevo valores muy pareci-dos de los parámetros cristalográlicos la = 6.2629(3) A paraCuln600, a = 6.2648(3) A para Culn300¡. Estos resulta-dos evidencían la misma estructura zinc-blenda desordenadapara las muestras Agln y Culn independientemente del tra-tamiento térmico utilizado. Es claro que Agln300 y Culn300presentan. corno era de esperar, una estructura zinc-blenda J'con los átomos distribuidos al azar en la subred catiónica [3].Era de esperar en concon.lanciaconlos resultados magnéticosy ópticos una estructura ]3' más desordenatla que [3 [31. Noobstante. como ya se indicó. las Illucstra'i recocidas a 600°Cno presentan diferencias cstructurales signilicativa.., respectoa las rccocidas a 300°C. Esto es probablemcnte dehido a laforma de preparación de las muestras, ya que se prepararonen lingotes de 5 gr. y en consecuencia no fue posible congelarla fase {3dadu que el proceso de templado no se prodOjo conla rapidez requerida (3 J.

R,v. Mex. Frs. 44 S3 (199R) 67-70

ESTRUCTURA CRISTALINA Y CORRELACIÓN DE ESPINES EN ALEACIONES DE (Agln)o,MnT., y (Culn)o,MnT., 69

I! I '1 I I I 11 1 11 I 11 I I

IJ1LJJ1'0080

I 11 I 11 I 11 I I

1 ¡i200

•"-

O , ," , " , ,

Ir _Ji l'100 20 "' 60

"8060

"

1000

800

600

1

) 600

To .,.~:

20

w WFIGURA 1. Refinamientos por el método de Rictveld. (a) (Agln)O.5 MnTc2 recocido a 600°C y templado, a = 6.3693(2) Á;(b) (Agln)o, MnTe, recocido a 300'C y enfriamiento lento, a = 6.3722(2) Á.

3000 -,-------------------,

(Agln)o .•MnTe, G4.3Joo

250 (A&la)oMaT.,

", G4-J•.-z,66zA

~ 200 15K••:i~'" 150 ~•• ~'" .'.:;¡

.~~" '~ • (.. • •• ';00•• '00- ... ,. ,.. ,.~.,5 .. , .11

50 :iO

10 .0 JO '0 50 6070

:~.: ;

605040

"

30,20

o10

500

2500

2000 +--

1500

'000

ni2-'C••'C'¡¡;c:"-c:

26 28FIGURA 2. Dependencia con la temperatura del patrón de difrac-ción de neutrones del (AgIn)o.5MnTc2. (a) T ;;;;40 K: (b) T =30 K; (e) T = 20 K; (d) T = 15 K; (e) T = 5 K; (f) T = 1.5 K.

FIGURA 3. Agln600. Ajuste de los resultados experimemales a laEc. (4) del modelo de Holden el al. [4J (T = 15 K).

La Fig. 2 mue5tra la dependencia con la temperatura delpatrón de difracción de neutrones de Agln600. Puede apre-ciarse la superposición de las líneas nucleares de la zinc.blenda con una serie de !fncas de origen magnético. La pri-mera línea magnética uhicada a 23° en 28 puede indexarsc enla estructura zinc-blenda como (l. O, !). Esta línea es una cia-ra indicación de la correlación entre los cspínes de los ioncsMn que es más intensa a medida que decrece la temperatura.Es posible identificar además otras dos lineas magnéticas su-plementarias. La primera a 38°, superpucsta a la línea nuclear(1,1, 1) del aluminio (portamuestra). que puede indexarse co-mo (1, O. ~); y otra a 52° que puede indexarse como (2, 1. !).

En las aleaciones Culn se obtuvieron resultados muy simila-res. La posición de las líneas magnélicas difusas concuerdacon un orden antiferromagnéticodel tipo AFM-lIl [4J. El an-cho de los picos magnélicos, apreciablemente mayor al de laslíneas de Bragg, indica que este orden antiferromagnélico noes de largo alcancc.

Los datos experimentales Agln600 mostrados en la Fig. 2en el rango entre 10° y 58°, luego de eliminarles las líneasnucleares, fueron ajustados con la Ec. (4). para eSlableeer lascorrelaciones entre un espfn central y las sucesivas capas devecinos. A manera de ejemplo, en la Fig. 3 sc muestra el ajus-te correspondiente a 15 K. La calidad de los ajustes (Tabla 1)desmejora para el rango de lemperaturas más bajas, lo cual

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70 R. TOVAR e/al.

TABLA 1. (Agln)a.5MnTc2_ Rcsullados del ajuste con la Ec. (4): A, - B/ son los coelicientes de correlación, S es el espín del f\ln++, y k esla inversa de la longitud de correlación.

TIA']1.5

5

15

2030

40

AI-8l

-2.HO.1

-2.40100.1

-2.50100.1

-2.40100.1

-1.8X0.1

-0.50100.1

.-h - Hz+1.8r0.1

+1.70100.1

+l.HO.1

+0.9r0.1

+O.HO.l

+O.HO.I

A3 - B3

+3.60100.2

+3.HO.2

+2.80100.2

+l.HO.2

+1.70100.2

+0.8r0.2

A.l - B4

-0.8X0.2

-0.HO.2

-0.HO.2

-0.HO.2

-0.10100.2

-0.10100.2

5[I'ul+1.94010002

+2.5H 0.02

+2.3H 0.02

+2.54010 0.02

+2.6H 0.02

+2.57010 0.02

k[Á-I]

+0.097401000003

+0.09840100.0003

+0.IOOUO.O<X)3

+0.114HO.0003

+0.134901000004

+0.313HO.OOO4

se explica por el número limitado de capas consideradas; sinembargo la secuencia de signos de las correlaciones es COn1-

paJible con on orden AFM-lll.

5. Conclusiones

Se eSludió la eslrUClUra de las aleaciones (Agln)o,MnTe,y (CuIn)o.sMnTc2 preparadas con diferentes tratamientostérmicos. Se detenninó que la estructura de las muestras reco-cidas a 300°C es zinc-blenda con los iones magnéticos distri-

1. G. Lamarche el al ..1. Mag. Mag. Mal. 80 (1989) 321.

2. J.c. Woolley. R. Brun del Re. M. AI-Najjar. and G. Lamarche.J Mag. Mag. Mal. 145 (1995) 23.

buidos al azar en la subred cali6nica. En el caso de las mues-tras recocidas a óOO°C y templadas, la estructura es tambiénzinc-blenda. Una posible explicación de este resullado ines-perado es la imposibilidad de congelar con la rapidcz necesa-ria, cn virtud del volumen de la muestra, la fase (j.

El ajusle de los resullados de AglnfiOO en función de lalemperatura con el modelo propueslo por Holden el al. [41arrojó rcsullados satisfactorios y permitió determinar las L:O-

rrelaciones entre los espines de los iones de manganeso y unorden de tipo AFM-I1I de corto alcance.

3. M. Quintero, R. Tovar. M. Dhesi. and l.e. Woolley. Phys. Sta-tus Salid; A 115 (1989) 157.

.1 TM. Holden el al .• Phy.<. Rel'. B 26 (1982) 5074.

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