vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8358-2022-67-4-351-359vestift-762Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ, МЕТАЛЛУРГИЯMATERIALS SCIENCES AND ENGINEERING, METALLURGYМагнитные характеристики твердых растворов Ni1–xMxMnSb (M = Ti, V, Cr)Magnetic characteristics of solid solutions Ni1–xMxMnSb (M = Ti, V, Cr)https://orcid.org/0000-0001-9958-092XРимскийГ. С.RymskiG. S.

Римский Григорий Семенович – научный сотрудник лаборатории физики магнитных материалов

ул. П. Бровки, 19, 220072, Минск

Grigory S. Rimskiy – Researcher of the Laboratory of Physics of Magnetic Materials

19, P. Brovka Str., 220072, Minsk

rimskiy@physics.byhttps://orcid.org/0000-0001-8463-928XРуткаускасА. В.RutkauskasA. V.

Руткаускас Антон Владимирович – кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Лаборатории нейтронной физики им. И. М. Франка

ул. ЖолиоКюри, 6, 141980, Дубна, Московская область

Anton V. Rutkauskas – Ph. D. (Physics and Mathematics), Researcher of the Frank Laboratory of Neutron Physics

6, Joliot-Curie Str., Dubna, Moscow Region

ranton@nf.jinr.ruДюжева-МальцеваЕ. В.Duzeva-MaltsevaE. V.

Дюжева-Мальцева Елена Вадимовна – лаборант-исследователь отдела нейтронных экспериментальных станций

ул. Академика Курчатова, 1, 123182, Москва

Elena V. Duzeva-Maltseva – Research Laboratory Assistant of the Department of Neutron Experimental Facilities

1, Kurchatov Str., 123182, Moskow

elena.dujewa@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3763-6582ЯнушкевичК. И.YanushkevichK. I.

Янушкевич Казимир Иосифович – доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией физики магнитных материалов

ул. П. Бровки, 19, 220072, Минск

Kazimir I. Yanushkevich – Dr. Sc. (Physics and Mathematics), Head of the Laboratory of Physics of Magnetic Materials

19, P. Brovka Str., 220072, Minsk

k.yanushkevitch@yandex.byКозленкоД. П.KozlenkoD. P.

Козленко Денис Петрович – доктор физико-математических наук, начальник научно-экспериментального отдела нейтронных исследований конденсированных сред, Лаборатория нейтронной физики им. И. М. Франка

ул. ЖолиоКюри, 6, 141980, Дубна, Московская область

Denis P. Kozlenko – Dr. Sc. (Physics and Mathematics), Head of the Scientific and Experimental Department of Neutron Investigations of Condensed Matter, Frank Laboratory of Neutron Physics

6, Joliot-Curie Str., Dubna, Moscow Region

denk@nf.jinr.ruГлазковВ. П.GlazkovV. P.

Глазков Виктор Павлович – ведущий специалист отдела нейтронных экспериментальных станций

ул. Академика Курчатова, 1, 123182, Москва

Victor P. Glazkov – Сhief Specialist of the Department of Neutron Experimental Facilities

1, Kurchatov Str., 123182, Moskow

vivadin@yandex.ruЧанТуан АньTranTuan Anh

Туан Ань Чан – доктор технических наук, факультет прикладных наук

ул. Во Ван Нган, 1, 70000, Хошимин

Tuan Anh Tran – Dr. Sc. (Engineering), Aplied Sciences Faculty

1, Vo Van Ngan Str., 70000, Ho Chi Minh

anhtt@hcmute.edu.vnДангНгок ТоанDangNgoc Toan

Нгок Тоан Данг – доктор физико-математических наук, факультет экологических и естественных наук

ул. Нгуен Ван Линь, 254, 550000, Дананг

Ngoc Toan Dang – Dr. Sc. (Physics and Mathematics), Faculty of Environmental and Natural Sciences

254, Nguyen Van Linh Str., 550000, Danang

dangtoan2107@gmail.comХоангТронг ФукHoangTrong Phuc

Тронг Фук Хоанг – доктор физико-математических наук, факультет экологических и естественных наук

ул. Нгуен Ван Линь, 254, 550000, Дананг

Trong-Phuc Hoang – Dr. Sc. (Physics and Mathematics), Faculty of Environmental and Natural Sciences

254, Nguyen Van Linh Str., 550000, Danang

htphuc90@gmail.comНаучно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедениюScientific-Practical Materials Research Center of the National Academy of Sciences of BelarusОбъединенный институт ядерных исследованийJoint Institute for Nuclear ResearchНаучно-исследовательский центр «Курчатовский институт»National Research Center “Kurchatov Institute”Технологический и педагогический университет ХошиминаHo Chi Minh City University of Technology and EducationУниверситет Дуй ТанDuy Tan University202202012023674351359Copyright © Римский Г.С., Руткаускас А.В., Дюжева-Мальцева Е.В., Янушкевич К.И., Козленко Д.П., Глазков В.П., Чан Т.А., Данг Н.Т., Хоанг Т.Ф., 20232023Римский Г.С., Руткаускас А.В., Дюжева-Мальцева Е.В., Янушкевич К.И., Козленко Д.П., Глазков В.П., Чан Т.А., Данг Н.Т., Хоанг Т.Ф.Rymski G.S., Rutkauskas A.V., Duzeva-Maltseva E.V., Yanushkevich K.I., Kozlenko D.P., Glazkov V.P., Tran T.A., Dang N.T., Hoang T.P.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/762

Представлены результаты эксперимента по изучению кристаллической и магнитной структур твердых растворов замещения систем Ni0,90M0,10MnSb (M = Ti, V, Cr) с помощью дифракции тепловых нейтронов в интервале температур ~ 3–300 К. Обнаружено, что все исследуемые составы обладают ферромагнитным упорядочением вдоль оси с. На спектрах твердых растворов Ni0,90V0,10MnSb и Ni0,90Сr0,10MnSb в области 2Θ = 28,6° отмечено появление рефлекса, который указывает на формирование антиферромагнитного упорядочения. Установлено, что данный рефлекс исчезает при температуре T = 75 К в Ni0,90V0,10MnSb, а на спектре Ni0,90Cr0,10MnSb он наблюдается во всем исследуемом диапазоне температур. В рамках теории функционала плотности (DFT) проведен ab initio расчет кристаллической структуры и магнитных моментов для Ni1–xMxMnSb (M = Ti, V, Cr; x = 0; 0,125; 0,250). Установлено, что ионы титана, ванадия и хрома участвуют в переносе электрона только с ионами Mn и Sb. Результаты DFT предсказывают существование магнитных моментов у ионов Ti, V и Cr. Обнаружено, что спины ионов Ti, V и Cr антиферромагнитно связаны со спинами ионов Mn и Ni. Полученные результаты представляют интерес для разработки новых концепции и моделей структурного дизайна, при котором возможен синтез принципиально новых функциональных материалов с уже заданными физическими свойствами.

The results of an experiment on the study of the crystal and magnetic structures of substitutional solid solutions of the Ni0.90M0.10MnSb (M = Ti, V, Cr) systems using thermal neutron diffraction in the temperature range ~ 3–300 K are presented. It is found that all the studied compositions have ferromagnetic ordering along the c axis. In the spectra of Ni0.90V0.10MnSb and Ni0.90Cr0.10MnSb solid solutions, a reflection appears in the region 2Θ = 28.6°, which indicates the formation of antiferromagnetic ordering. It has been found that this reflection disappears at a temperature T = 75 K in Ni0.90V0.10MnSb, while it is observed in the spectrum of Ni0.90Cr0.10MnSb over the entire temperature range under study. Within the framework of density functional theory (DFT), an ab initio calculation of the crystal structure and magnetic moments for Ni1–xMxMnSb (M = Ti, V, Cr; x = 0; 0.125; 0.250) was carried out. It has been established that titanium, vanadium, and chromium ions participate in electron transfer only with Mn and Sb ions. The DFT results predict the existence of magnetic moments for Ti, V, and Cr ions. It was found that the spins of Ti, V, and Cr ions are antiferromagnetically coupled with the spins of Mn and Ni ions. The results obtained are of interest for the development of new concepts and models of structural design, which makes it possible to synthesize fundamentally new functional materials with already specified physical properties.

интерметаллидырентгеновская дифракциядифракция нейтроновкристаллическая и магнитная структурыab initio расчетintermetallicsX-ray diffractionneutron diffractioncrystal and magnetic structuresab initio calculationРабота выполнена в рамках совместного гранта для молодых ученых «БРФФИ–РФФИ M-2021» (грант № Т21РМ-029 и № 20-52-04003 Бел_мол_а)The work was carried out within the framework of a joint grant for young scientists “BRFFR–RFFR M-2021” (grant no. T21RM-029 and no. 20-52-04003 Bel_mol_a)ReferencesReview on spintronics: Principles and device applications / A. Hirohata [et al.] // J. Magn. Magn. Mater. – 2020. – Vol. 509. – Art. ID 166711. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2020.166711Hirohata A., Yamada K., Nakatani Y., Prejbeanu I.-L., Dieny B., Pirro P., Hillebrands B. Review on spintronics: Principles and device applications. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2020, vol. 509, art. ID 166711. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2020.166711Graf, T. Simple rules for the understanding of Heusler compounds / T. Graf, C. Felser, S. S. P. Parkin // Progress in Solid State Chemistry. – 2011. – Vol. 39, № 1. – P. 1–50. https://doi.org/10.1016/j.progsolidstchem.2011.02.001Graf T., Felser C., Parkin S. S. P. Simple rules for the understanding of Heusler compounds. Progress in Solid State Chemistry, 2011, vol. 39, no. 1, pp. 1–50. https://doi.org/10.1016/j.progsolidstchem.2011.02.001Effects of substitution of Zn for Ni in NiMnSb alloys / S. K. Ren [et al.] // J. Alloys Compd. – 2004. – Vol. 384, № 1–2. – P. 22–24. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2004.03.118Ren S. K., Gao J., Jiang X. L., Ji G. B., Zou W. Q., Zhang F. M., Du Y. W. Effects of substitution of Zn for Ni in NiMnSb alloys. Journal of Alloys and Compounds, 2004, vol. 384, no. 1–2, pp. 22–24. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2004.03.118Magnetic behavior of half-Heusler alloy CuxNi1–xMnSb / S. K. Ren [et al.] // J. Magn. Magn. Mater. – 2005. – Vol. 288. – P. 276–281. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2004.09.107Ren S. K., Zou W. Q., Gao J., Jiang X. L., Zhang F. M., Du Y. W. Magnetic behavior of half-Heusler alloy CuxNi1–xMnSb. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2005, vol. 288, pp. 276–281. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2004.09.107Crossover from antiferromagnetic to ferromagnetic ordering in the semi-Heusler alloys Cu1–xNixMnSb with increasing Ni concentration / M. Halder [et al.] // Phys. Rev. B. – 2011. – Vol. 84, № 9. – Art. ID 094435. http://doi.org/10.1103/PhysRevB.84.094435Halder M., Yusuf S. M., Kumar A., Nigam A. K., Keller L. Crossover from antiferromagnetic to ferromagnetic ordering in the semi-Heusler alloys Cu1-xNixMnSb with increasing Ni concentration. Physical Review B, 2011, vol. 84, no. 9, art. ID 094435. http://doi.org/10.1103/PhysRevB.84.094435DN-12 time-of-flight high-pressure neutron spectrometer for investigation of microsamples / V. L. Aksenov [et al.] // Physica B: Phys. Condens. Matter. – 1999. – Vol. 265, № 1–4. – P. 258–262. https://doi.org/10.1016/S0921-4526(98)01392-1Aksenov V. L., Balagurov A. M., Glazkov V. P., Kozlenko D. P., Naumov I. V., Savenko B. N., Sheptyakov D. V. [et al.] DN-12 time-of-flight high-pressure neutron spectrometer for investigation of microsamples. Physica B: Physics of Condensed Matter, 1999, vol. 265, no. 1–4, pp. 258–262. https://doi.org/10.1016/S0921-4526(98)01392-1Superposition Many-Detector Systems and Neutron Diffraction of Microsamples / V. P. Glazkov [et al.] // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A. – 1988. – Vol. 264, № 2–3. – P. 367–374. https://doi.org/10.1016/0168-9002(88)90925-4Glazkov V. P., Naumov I. V., Somenkov V. A., Shilshtein S. Sh. Superposition Many-Detector Systems and Neutron Diffraction of Microsamples. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research – section A, 1988, vol. 264, no. 2–3, pp. 367–374. https://doi.org/10.1016/0168-9002(88)90925-4Rodriguez-Carvajal, J. Recent advances in magnetic structure determination by neutron powder diffraction / J. Rodriguez-Carvajal // Physica B: Phys. Condens. Matter. – 1993. – Vol. 192, № 1–2. – P. 55–69. https://doi.org/10.1016/0921-4526(93)90108-IRodriguez-Carvajal J. Recent advances in magnetic structure determination by neutron powder diffraction. Physica B: Physics of Condensed Matter, 1993, vol. 192, no. 1–2, pp. 55–69. https://doi.org/10.1016/0921-4526(93)90108-IQUANTUM ESPRESSO: a modular and open-source software project for quantum simulations of materials / P. Giannozzi [et al.] // J. Phys.: Condens. Matter. – 2009. – Vol. 21, № 39. – Art. ID 395502. https://doi.org/10.1088/0953-8984/21/39/395502Giannozzi P., Baroni S., Bonini N., Calandra M., Car R., Cavazzoni C., Ceresoli D. [et al.]. QUANTUM ESPRESSO: a modular and open-source software project for quantum simulations of materials. Journal of Physics: Condensed Matter, 2009, vol. 21, no. 39, art. ID 395502. https://doi.org/10.1088/0953-8984/21/39/395502Advanced capabilities for materials modelling with Quantum ESPRESSO / P. Giannozzi [et al.] // J. Phys.: Condens. Matter. – 2017. – Vol. 29, № 46. – P. 465901. https://doi.org/10.1088/1361-648X/aa8f79Giannozzi P., Andreussi O., Brumme T., Bunau O., Buongiorno Nardelli M., Calandra M., Car R. [et al.]. Advanced capabilities for materials modelling with Quantum ESPRESSO. Journal of Physics: Condensed Matter, 2017, vol. 29, no. 46, pp. 465901. https://doi.org/10.1088/1361-648X/aa8f79Perdew, J. P. Generalized Gradient Approximation Made Simple / J. P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof // Phys. Rev. Let. – 1996. – Vol. 77, № 18. – P. 3865–3868. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865Perdew J. P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized Gradient Approximation Made Simple. Physical Review Letters, 1996, vol. 77, no. 18, pp. 3865–3868. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865Vanderbilt, D. Soft self-consistent pseudopotentials in a generalized eigenvalue formalism / D. Vanderbilt // Phys. Rev. B. – 1990. – Vol. 41, № 11. – P. 7892–7895. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.41.7892Vanderbilt D. Soft self-consistent pseudopotentials in a generalized eigenvalue formalism. Physical Review B, 1990, vol. 41, no. 11, pp. 7892–7895. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.41.7892Bader, R. F. W. A quantum theory of molecular structure and its applications / R. F. W. Bader // Chem. Rev. – 1991. – Vol. 91, № 5. – P. 893–928. https://doi.org/10.1021/cr00005a013Bader R. F. W. A quantum theory of molecular structure and its applications. Chemical Review, 1991, vol. 91, no. 5, pp. 893–928. https://doi.org/10.1021/cr00005a013Римский, Г. С. Кристаллическая структура и магнитные характеристики твердых растворов Ni1–xCrxMnSb / Г. С. Римский, К. И. Янушкевич, А. В. Руткаускас // Вес. Нац. акад. навук Беларусi. Cep. фiз.-техн. навук. – 2021. – T. 66, № 6. – C. 263–269. https://doi.org/10.29235/1561-8358-2021-66-3-263-269Rymski G. S., Yanushkevich K. I., Rutkauskas A. V. Crystal structure and magnetic characteristics of solid solutions Ni1–xCrxMnSb. Vestsi Natsyyanal’nai akademii navuk Belarusi. Seryya fizika-technichnuch navuk = Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series, 2021, vol. 66, no. 3, pp. 263–269 (in Russian). https://doi.org/10.29235/1561-8358-2021-66-3-263-269Римский, Г. С. Особенности кристаллической структуры и магнитных характеристик твердых растворов Ni1–x TixMnSb (0.00 ≤ x ≤ 0.50) / Г. С. Римский, К. И. Янушкевич, А. В. Руткаускас // Вестн. Фонда фундамент. исследований. – 2021. – T. 95, № 1. – С. 34–41.Rymski G. S. Yanushkevich K. I. Features of the Crystal Structure and Magnetic Characteristics of Solid Solutions Ni1–x TixMnSb (0.00 ≤ x ≤ 0.50). Vestnik Fonda fundamental’hykh issledovanii = Bulletin of the Foundation for Fundamental Research, 2021, vol. 95, no. 1, pp. 34–41 (in Russian).Римский, Г. С. Влияние катионного замещения на кристаллическую структуру и магнитные характеристики твердых растворов MnNi1–x VxSb / Г. С. Римский, К. И. Янушкевич // Весн. Брэсц. ун-та. Сер. 4, Фізіка. Матэматыка. – 2021. – № 1. – С. 34–40.Rymski G., Yanushkevich K. Effect of Cationic Substitution on the Crystal Structure and Magnetic Properties of Solid Solutions MnNi1–x VхSb. Vesnіk Brestskaga ўnіversіteta. Seryya 4. Fіzіka. Matematyka = Vesnik of Brest University. Series 4. Physics. Mathematics, 2021, no. 1, pp. 30–40 (in Russian).Tuning the magnetocaloric response in half-Heusler/Heusler MnNi1+xSb solid solutions / E. E. Levin [et al.] // Phys. Rev. Mat. – 2017. – Vol. 1, № 7. – Art. ID 075003. https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterialsLevin E. E., Bocarsly J. D., Wyckoff K. E., Pollock T. M., Seshadri R. Tuning the magnetocaloric response in half-Heusler/Heusler MnNi1+xSb solid solutions. Physical Review Materials, 2017, vol. 1, no. 7, art. ID 075003. https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.1.075003De Groot, R. A. FeMnSb: A half-metallic ferrimagnet / R. A. De Groot, A. M. van der Kraan, K. H. J. Buschow // J. Magn. Magn. Mater. – 1986. – Vol. 61, № 3. – P. 330–336. https://doi.org/10.1016/0304-8853(86)90046-6De Groot R. A., Kraan A. M. van der, Buschow K. H. J. FeMnSb: A half-metallic ferrimagnet. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 1986, vol. 61, no. 3, pp. 330–336. https://doi.org/10.1016/0304-8853(86)90046-6Atomic and magnetic structure of the heusler alloys NiMnSb and CoMnS / Z. Szytula [et al.] // Phys. Stat. Sol. (a). – 1972. – Vol. 9, № 57. – P. 97–103. https://doi.org/10.1002/pssa.2210090109Szytula A., Dimitrijevic Z., Todorovic J., Kolodziejczyk A., Szelag J., Wanic A. Atomic and magnetic structure of the heusler alloys NiMnSb and CoMnS. Physica Status Solidi (a), 1972, vol. 9, no. 57, pp. 97–103. https://doi.org/10.1002/pssa.2210090109Electronic and magnetic properties of NiMn1–xHoxSb compounds / R. Grasin [et al.] // Phys. Stat. Sol. (b). – 2012. – Vol. 249, № 9. – P. 1779–1783. https://doi.org/10.1002/pssb.201147553Grasin R., Rusu C., Laslo A., Dudric R., Mican S., Neumann M., Tetean R. Electronic and magnetic properties of NiMn1–xHoxSb compounds. Physica Status Solidi (b), 2012, vol. 249, no. 9, pp. 1779–1783. https://doi.org/10.1002/pssb.201147553Interband Optical Absorption and Plasma Effects in Half-Metallic XMnY Ferromagnets / M. M. Kirillova [et al.] // Phys. Stat. Sol. (b). – 1995. – Vol. 187, № 1. – P. 231–240. https://doi.org/10.1002/pssb.2221870122Kirillova M. M., Makhnev A. A., Shreder E. I., Dyakina V. P., Gorina N. B. Interband Optical Absorption and Plasma Effects in Half-Metallic XMnY Ferromagnets. Physica Status Solidi (b), 1995, vol. 187, no. 1, pp. 231–240. https://doi.org/10.1002/pssb.2221870122Galanakis, I. Origin and properties of the gap in the half-ferromagnetic Heusler alloys / I. Galanakis, P. H. Dederichs, N. Papanikolaou // Phys. Rev. B. – 2022. – Vol. 66, № 13. – Art. ID 134428. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.66.134428Galanakis I., Dederichs P. H., Papanikolaou N. Origin and properties of the gap in the half-ferromagnetic Heusler alloys. Physical Review B, 2022, vol. 66, no. 13, art. ID 134428. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.66.134428Slipukhina, I. Electronic and magnetic properties of the Ti5O9 Magnéli phase / I. Slipukhina, M. Lezaic // Phys. Rev. B. – 2014. – Vol. 90, № 15. – Art. ID 155133. https://doi.org/10.1103/physrevb.90.155133Slipukhina I., Lezaic M. Electronic and magnetic properties of the Ti5O9 Magnéli phase. Physical Review B, 2014, vol. 90, no. 15, art. ID 155133. https://doi.org/10.1103/physrevb.90.155133

The authors declare that there are no conflicts of interest present.