Магнитные характеристики твердых растворов Ni1–xMxMnSb (M = Ti, V, Cr)

Представлены результаты эксперимента по изучению кристаллической и магнитной структур твердых растворов замещения систем Ni_0,90M_0,10MnSb (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 Ni_0,90V_0,10MnSb и Ni_0,90Сr_0,10MnSb 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 Ni_0,90V_0,10MnSb, а на спектре Ni_0,90Cr_0,10MnSb он наблюдается во всем исследуемом диапазоне температур. В рамках теории функционала плотности (DFT) проведен ab initio расчет кристаллической структуры и магнитных моментов для Ni_1–xM_xMnSb (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.

1. Review 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.2020.166711

2. Graf, 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.2011.02.001

3. Effects 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.2004.03.118

4. Magnetic 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.2004.09.107

5. Crossover 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.84.094435

6. DN-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)01392-1

7. Superposition 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)90925-4

8. Rodriguez-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-I

9. QUANTUM 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/10.1088/0953-8984/21/39/395502

10. Advanced 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/aa8f79

11. Perdew, 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.77.3865

12. Vanderbilt, 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.41.7892

13. Bader, 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/cr00005a013

14. Римский, 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/10.29235/1561-8358-2021-66-3-263-269

15. Римский, 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.

16. 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.

17. 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/PhysRevMaterials

18. De 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)90046-6

19. Atomic 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.2210090109

20. Electronic 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.201147553

21. Interband 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.2221870122

22. Galanakis, 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.66.134428

23. Slipukhina, 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.90.155133