Магниторезистивный сплав на основе висмута
Владельцы патента RU 2673870:
Федеральное государственное учреждение "Федеральный научно-исследовательский центр "Кристаллография и фотоника" Российской академии наук" (RU)
Изобретение относится к сплавам на основе висмута, которые могут быть использованы для изготовления датчиков контрольно-измерительной аппаратуры, например датчиков Холла. Сплав на основе висмута содержит, мас. %: сурьма 5,1437216-5,7737629, теллур 0,0000006-0,0003188, висмут – остальное. Сплав характеризуется высокими значениями магнитосопротивления в температурном диапазоне 90-300 К. 2 табл., 1 пр.
Изобретение относится к сплавам на основе висмута, содержащих сурьму и теллур, предназначенных для изготовления датчиков контрольно-измерительной аппаратуры измерения магнитных полей, магнитотермоэлектрических преобразователей энергии и других электронных приборов, использующих в своей работе высокое значение магнитосопротивления.
Известны сплавы на основе висмута, обладающие достаточно высокими значениями магнитосопротивления в температурном диапазоне 90-300 К.
К таким сплавам относятся:
- сплав на основе висмута, содержащий сурьму 1,6 мас. (Bi0.096Sb0.04), обладающий высоким магнитосопротивлением (МС) [1];
- магнитотермоэлектрический сплав на основе висмута, содержащий сурьму 4,436-4,7107 мас., теллур 0,00054-0,00066 мас.%, висмут остальное [2],
- гальванотермомагнитный сплав на основе висмута, содержащий сурьму 0,58-2,98 мас., олово 0,00002 - 0,00012 мас., висмут остальное [3].
Наиболее близким по своему составу к предложенному сплаву является магниторезистивный сплав на основе висмута, содержащий мас. сурьму 9,3388-9,3393; олово 0,000050-0,000070; висмут остальное [4].
Однако недостатком сплава является низкое магнитосопротивление (МС) в области температур 90-300 К и магнитных полях до 1.15 Тл.
Технической задачей изобретения является повышение МС сплава на основе висмута.
Техническим результатом является создание сплава для изготовления эффективных датчиков контрольно-измерительной аппаратуры.
Поставленные техническая задача и технический результат достигаются в результате того, что в сплав на основе висмута, содержащий сурьму, дополнительно вводят теллур при следующем содержании компонентов, мас.%:
Сурьма: 5,1437216-5,7737629
Теллур: 0,0000006-0,0003188
Висмут: остальное.
Пример реализации изобретения.
В качестве основы предлагаемого сплава был взят известный двухкомпонентный сплав на основе висмута, содержащий сурьму 5,1437216-5,7737629 мас. В этот сплав был введен третий компонент - теллур в количестве 0,0000006-0,0003188 мас.
Таким образом, существенным отличительным признаком заявляемого сплава является наличие в нем в качестве третьего компонента теллура.
В результате введения теллура было достигнуто повышение МС предлагаемого сплава, по сравнению с известным.
Для измерения МС предлагаемого сплава методом вытягивания из расплава по Чохральскому были получены монокристаллы следующих составов, приведенные в таблице 1.
При получении монокристаллов использовали висмут марки Ви-0000, предварительно прошедший капельную очистку в вакууме, сурьмы ОСЧ-18-4 и теллур Т-В4. Кристаллы выращивали в атмосфере гелия особой чистоты. После выращивания монокристаллов из них вырезались на электроискровом станке образцы в форме параллелепипеда размерами 3×4×15 мм3 таким образом, чтобы их большее ребро было параллельно тригональной оси, а второе по величине - бинарной оси элементарной ячейки. МС измеряли в криостате специальной конструкции двухзондовым методом в магнитных полях 0,1-1,15 Тл. Ток направляли вдоль тригональной оси, а магнитной поле - перпендикулярно бинарной оси.
МС определяли как отношение разности сопротивлений в магнитном поле ρ(В) и без магнитного поля ρ (0) к сопротивлению без магнитного поля в процентах
Величины максимальных значений МС предлагаемого сплава и известного сплава при температуре 90 К в магнитном поле приведены в таблице 2.
Из данных таблицы 2 следует, что все составы предлагаемого сплава имеют более высокие значения МС, чем МС известного сплава.
Нижний предел концентрации сурьмы в предлагаемом сплаве (5,1437216 мас.) определяется тем, что при меньшем ее содержании в сплаве увеличение МС не наблюдается в сравнении с предлагаемым сплавом вследствие снижения энергетического зазора запрещенной зоны. Верхний предел концентрации сурьмы в предлагаемом сплаве (5,7737629 мас.) определяется тем, что МС уменьшается в сравнении с предлагаемым сплавом из-за ухудшения совершенства структуры монокристаллов.
Выбор предельных концентраций теллура в предлагаемом сплаве связан тем, что добавка теллура в количестве менее 0,0000006 мас. является минимальной, при которой обеспечивается достижение поставленной в предлагаемом изобретении цели повышение МС сплава на основе висмута, содержащих сурьму в количестве от 5,1437216 до 5,7737629 мас. включительно, а добавка теллура в количестве 0,0003188 является максимальной, при которой наблюдается не рост МС, а его снижение.
Влияние столь малых добавок теллура на МС монокристаллов сплавов на основе висмута, содержащих 5,1437216-5,7737629 мас. сурьмы, может быть связано с изменением зонной структуры, близкой с бесщелевому состоянию, при низких температурах. Известно, что такие сплавы называют (3Д) Дирак полуметаллами и в них наблюдается возрастание электрофизических свойств в магнитном поле.
Ослабление влияния теллура на МС сплавов висмут-сурьма при увеличении содержания в них сурьмы связано с тем, что увеличение ее содержания в сплавах сопровождается изменением энергетического зазора запрещенной зоны, снижающего влияние магнитного поля.
Особенности влияния теллура на МС в сплавах висмут-сурьма связано с изменением удельного электросопротивления и подвижности носителей тока при низких температурах, приводящих к бесщелевому состоянию зонной структуры.
Реализация предлагаемого сплава, обладающего более высоким МС по сравнению с известными сплавами, позволяет изготавливать из него контрольно-измерительную аппаратуру измерения магнитных полей, приборов для сверхвысоких частот и магнитотермоэлектрических преобразователей энергии, расширить область их применения в тех областях науки и техники, где к изделиям из монокристаллов сплавов висмута с сурьмой предъявляются требования высокого МС.
Источники информации
1. Yue, Z. J. Semimetal-semiconductor transition and giant linear magnetoresistances in three-dimensional Dirac semimetal Bi0.96Sb0.04 single crystals / Z.J. Yue, X. Wang, S.S. Yan. Applied Physics Letters. - 2015. - V.107. - 112101.
2. Авторское свидетельство СССР №513368 «Магнитотермоэлектрический сплав на основе висмута», МПК С22С 12/00, опубл. 25.06.76.
3. Патент РФ №2044092 «Гальваномагнитный сплав на основе висмута» МПК С22С 12/00, опубл. 20.09.1995.
4. Kozhemyakin G.N., Zayakin S.A. Magnetoresistance in doped Bi0.85Sb0.15 single crystals. Journal of Applied Physics. - 2017. - V. 122. - 205102.
Магниторезистивный сплав на основе висмута, содержащий сурьму, отличающийся тем, что он дополнительно содержит теллур при следующем содержании компонентов, мас.%:
| Сурьма | 5,1437216-5,7737629 |
| Теллур | 0,0000006-0,0003188 |
| Висмут | Остальное |
