МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ ВИСМУТА Российский патент 2019 года по МПК C22C12/00 H01L35/12 

Изобретение относится к сплавам на основе висмута, содержащих сурьму и олово, 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 мае. (Bi_0.096Sb_0.04), обладающий высоким магнитосопротивлением (МС) [1];

- магнитотермоэлектрический сплав на основе висмута, содержащий сурьму 4,436-4,7107 мае, теллур 0,00054-0,00066 мас. %, висмут остальное [2],

- гальванотермомагнитный сплав на основе висмута, содержащий сурьму 0,58-2,98 мае, олово 0,00002 - 0,00012 мае, висмут остальное [3].

Наиболее близким по своему составу к предложенному сплаву является магниторезистивный сплав на основе висмута, содержащий мае. 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 олово при следующем содержании компонентов, мас. %:

Сурьма: 5,1437216 - 5,7737629

Олово: 0,000006 - 0,0001

Висмут: остальное.

Пример реализации изобретения.

В качестве основы предлагаемого сплава был взят известный двухкомпонентный сплав на основе висмута, содержащий сурьму 5,1437216-5,7737629 мае. В этот сплав был введен третий компонент - олово в количестве 0,000006-0,0001 мае.

Таким образом, существенным отличительным признаком заявляемого сплава является наличие в нем в качестве третьего компонента олова.

В результате введения олова 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 олово ОВЧ-0000. 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 магнитное поле - перпендикулярно бинарной оси.

МС определяли как отношение разности сопротивлений в магнитном поле р(В) и без магнитного поля р(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 мае.) определяется тем, что при меньшем ее содержании в сплаве увеличение МС не наблюдается в сравнении с предлагаемым сплавом вследствие уменьшения энергетического зазора запрещенной зоны до нуля. Верхний предел концентрации сурьмы в предлагаемом сплаве (5,7737629 мае.) определяется тем, что МС уменьшается в сравнении с предлагаемым сплавом из-за увеличения энергетического зазора и ухудшения совершенства структуры монокристаллов.

Выбор предельных концентраций олова в предлагаемом сплаве связан тем, что добавка олова в количестве менее 0,000006 мае. 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 мае. включительно, а добавка олова в количестве 0,0001 является максимальной, при которой наблюдается не рост МС, а его снижение.

Влияние столь малых добавок олова на МС монокристаллов сплавов на основе висмута, содержащих 5,1437216-5,7737629 мае. сурьмы, может быть связано с изменением зонной структуры, близкой с безщелевому состоянию, при низких температурах. Известно, что такие сплавы называют (ЗД) Дирак полуметаллами и в них наблюдается возрастание электрофизических свойств в магнитном поле.

Ослабление влияния олова на МС сплавов висмут-сурьма при увеличении содержания в них сурьмы связано с тем, что увеличение его содержания в сплавах сопровождается увеличением энергетического зазора запрещенной зоны, снижающего влияние магнитного поля.

Особенности влияния олова на МС в сплавах висмут-сурьма связано с изменением удельного электросопротивления и подвижности носителей тока при низких температурах, приводящих к безщелевому 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 Bi_0.96Sb_0.04 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 Bio.85Sbo.15 single crystals. Journal of Applied Physics. - 2017. - V. 122. - 205102.

Изобретение относится к металлургии, а именно к сплавам на основе висмута, предназначенным для изготовления датчиков контрольно-измерительной аппаратуры. Магниторезистивный сплав на основе висмута содержит, мас.%: сурьма 5,1437216 - 5,7737629, олово 0,000006 - 0,0001, висмут – остальное. Сплав характеризуется высоким значением магнитосопротивлением в температурном диапазоне 90-300 К, что обеспечивает высокую эффективность датчиков контрольно-измерительной аппаратуры, 2 табл., 3 пр.

Магниторезистивный сплав на основе висмута, содержащий сурьму, отличающийся тем, что он дополнительно содержит олово при следующем содержании компонентов, мас.%:

Сурьма 5,1437216-5,7737629

Олово 0,000006-0,0001

Висмут - Остальное.