vestnik Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества Ecological Bulletin of Research Centers of the Black Sea Economic Cooperation 1729-5459 Кубанский государственный университет RU 968 10.31429/vestnik-19-1-75-81 Научная статья Original article Физика Physics Нелинейная связь между током и напряжением в допированных никелем лантан-стронциевых поликристаллических манганитах Nonlinear relation between current and voltage in nickel-doped lanthanum-strontium polycrystalline manganites https://orcid.org/0000-0002-1276-840X Баделин А.Г. Баделин Алексей Геннадьевич Badelin Aleksey G. alexey_badelin@mail.ru

канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник научно-образовательного центра функциональных магнитных материалов Астраханского государственного университета

 https://orcid.org/0000-0001-6882-9550 Бич Г.В. Бич Геннадий Валентинович Bich Gennadiy V. gvbich@mail.ru

канд. хим. наук, заведующий лабораторией материаловедения и технического контроля Астраханского государственного университета

 https://orcid.org/0000-0002-5154-2171 Карпасюк В.К. Карпасюк Владимир Корнильевич Karpasyuk Vladimir K. vkarpasyuk@mail.ru

д-р. физ.-мат. наук, профессор, директор–научный руководитель научно-образовательного центра функциональных магнитных материалов Астраханского государственного университета

 https://orcid.org/0000-0002-4586-6786 Шапошников П.А. Шапошников Павел Александрович Shaposhnikov Pavel A. pashapo84@mail.ru

аспирант кафедры материаловедения и технологии сварки Астраханского государственного университета

 https://orcid.org/0000-0001-7039-1420 Эстемирова С.Х. Эстемирова Светлана Хусаиновна Estemirova Svetlana Kh. esveta100@mail.ru

канд. хим. наук, старший научный сотрудник научно-образовательного центра функциональных магнитных материалов Астраханского государственного университета; старший научный сотрудник лаборатории статики и кинетики процессов Института металлургии УрО РАН

 Астраханский государственный университет, ул. Татищева, 20а, Астрахань, 414056Astrakhan State University, Tatischev str., 20a, Astrakhan, 414056 Астраханский государственный университет, ул. Татищева, 20а, Астрахань, 414056; Институт металлургии Уральского отделения РАН, ул. Амундсена, 101, Екатеринбург, 620016Astrakhan State University, Tatischev str., 20a, Astrakhan, 414056; Institute of Metallurgy, Ural Branch of the Russian Academy of Science, Amundsen str., 101, Ekaterinburg, 620016 30 03 2022 19 1 75 81 21 01 2022 01 02 2022 30 03 2022 Copyright (c) 2022 Баделин А.Г., Бич Г.В., Карпасюк В.К., Шапошников П.А., Эстемирова С.Х. 2022 Баделин А.Г., Бич Г.В., Карпасюк В.К., Шапошников П.А., Эстемирова С.Х. Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.

Manganites of the La3+0.81+xSr2+0.19-xMn3+0.81-xMn4+0.19Ni2+xO2-3 system (x = 0.100; 0.125) were synthesized using traditional ceramic processing. The obtained samples have a rhombohedral structure, are ferromagnetic with Curie points of 216 and 181 K, respectively, and exhibit semiconductive type of conduction in the temperature range of 110–200 K. The sample with x = 0.125 has submicron crystallite sizes and higher resistance.

In manganite with nickel content of 0.100 f.e. at T = 112 K, N-shaped current-voltage (I-V) characteristic is observed. Manganite La0.935Sr0.065Mn0.875Ni0.125O3 has S-shaped I-V characteristic in the temperature range of 132–172 K. With a decrease in temperature, the differential conductivity on the upper branch of I-V characteristic decreases and becomes negative at 122 K. As a result, for the first time, current-voltage characteristic was detected with two sections of negative differential resistance of various types, on which dU < 0 at dI > 0 and dI < 0 at dU > 0.

Experimental data are explained by competing effects of local self-heating of the samples and changes in the parameters of zone structure with increasing voltage, taking into account the role of microinhomogeneities, the possibility of current channels occurrence and tunneling of charge carriers between regions with different densities of states. The study of regularities and mechanisms of I-V characteristic formation with coexisting sections of negative differential resistance of various types is important for understanding the nature of nonlinear phenomena in complex-substituted manganites as strongly correlated systems and for obtaining the required properties of these materials.

Синтезированные манганиты La3+0,81+xSr2+0,19-xMn3+0,81-xMn4+0,19Ni2+xO2-3 (x = 0,100; 0,125) имеют ромбоэдрическую структуру, являются ферромагнитными с точками Кюри 216 и 181 К, соответственно, и проявляют полупроводниковый характер проводимости в интервале температур 110–200 К. Манганит с содержанием никеля 0,100 ф.е. при T = 112 K обладает N-образной вольтамперной характеристикой (ВАХ).

У манганита La0,935Sr0,065Mn0,875Ni0,125O3 при 122 К впервые обнаружена ВАХ с двумя участками отрицательного дифференциального сопротивления разного вида, на которых dU < 0 при dI > 0 и dI < 0 при dU > 0. В области температур 132–172 К этот манганит обладает S-образными ВАХ.

Полученные экспериментальные данные объясняются конкурирующими эффектами локального саморазогрева образцов и изменения параметров зонной структуры манганита при повышении напряжения с учетом роли микронеоднородностей, возможности образования токовых каналов и туннелирования носителей заряда между областями с различной плотностью состояний.

 ромбоэдрическая структура точка Кюри полупроводники вольтамперные характеристики N- и S-типа два различных участка отрицательного дифференциального сопротивления rhombohedral structure Curie point semiconductors current-voltage characteristics of N- and S-type two various sections of negative differential resistance Belich N., Udalova N., Semenova A., Petrov A., Fateev S., Tarasov A., Goodilin E. Perovskite puzzle for revolutionary functional materials. Front. Chem., 2020, vol. 8, p. 550625. DOI 10.3389/fchem.2020.550625 Bebenin N.G., Zainullina R.I., Ustinov V.V. Colossal magnetoresistance manganites. Physics-Uspekhi, 2018, vol. 61, iss. 8, pp. 719–738. DOI 10.3367/UFNe.2017.07.038180 Dagotto E. Open questions in CMR manganites, relevance of clustered states and analogies with other compounds including the cuprates. New J. of Phys., 2005, vol. 7 DOI 10.1088/1367-2630/7/1/067 Guha A., Khare N., Raychaudhuri A.K., Rao C.N.R. Magnetic field resulting from nonlinear electrical transport in single crystals of charge-ordered Pr0.63Ca0.37MnO3. Phys. Rev. B, 2000, vol. 62, p. R11941(R). DOI 10.1103/PhysRevB.62.R11941 Kamilov I.K., Aliev K.M., Ibragimov Kh.O., Abakarova N.S. N-shaped voltage-current characteristic and current oscillations in Sm1-xSrxMnO3 manganite. JETP Lett. 2003, vol. 78, pp. 485–487. DOI 10.1134/1.1637699 Karpasyuk V.K., Badelin A.G., Smirnov A.M., Sorokin V.V., Evseeva A., Doyutova E., Shchepetkin A.A. N-type current-voltage characteristics of manganites. J. Phys. Conf. Ser., 2010, vol. 200, p. 052026. DOI 10.1088/1742-6596/200/5/052026 Abdel-Latif I.A. Rare earth manganites and their applications. J. Phys., 2012, vol. 1, iss. 3, pp. 15–31. Koroleva L.I., Demin R.V., Kozlov A.V., Zashchirinskii D.M., Mukovskii Ya.M. Relation between giant volume magnetostriction, colossal magnetoresistance, and crystal lattice softening in manganites La1-xAyMnO3 (A = Ca, Ag, Ba, Sr). J. Exp. Theor. Phys., 2007, vol. 104, iss. 1, pp. 76–86. Karpasyuk V.K., Badelin A.G., Derzhavin I.M., Merkulov D.I. Systems of manganites with enhanced electromagnetic parameters. Inorg. Mater. Appl. Res., 2018, vol. 9, iss. 5, pp. 807–812. DOI 10.1134/S2075113318020132 Koroleva L.I., Morozov A.S., Zhakina E.S., Batashev I.K., Balbashov A.M. A new method of increasing thermopower in doped manganites. Tech. Phys. Lett., 2016, vol. 42, pp. 652–655. DOI 10.1134/S1063785016060237 Karpasyuk V., Smirnov A., Badelin A. Ceramic manganites with contacts of various metals in magnetic field sensors. World Appl. Sci. J., 2014, vol. 32, iss. 10, pp. 2028–2031. DOI 10.5829/idosi.wasj.2014.32.10.1295 Volkov N.V. Spintronics: manganite-based magnetic tunnel structures. Physics-Uspekhi, 2012, vol. 55, iss. 3, pp. 250–269. DOI 10.3367/UFNe.0182.201203b.0263 Wu X.D., Suzuki K., Cochrane J., Markovich V., Gorodetsky G. Effect of electrical current on magnetic and transport properties of single-crystalline La0.82Ca0.18MnO3. IEEE Trans. Magn., 2010, vol. 46, iss. 6, pp. 1705–1707. DOI 10.1109/TMAG.2010.2044755 Fisher B., Genossar J., Patlagan L., Reisner G.M. Electric-field effects in resistive oxides: facts and artifacts. EPJ Web of Conf., 2013, vol. 40, p. 15009. DOI 10.1051/epjconf/20134015009 Shaykhutdinov K.A., Popkov S.I., Balaev D.A., Semenov S.V., Bykov A.A., Dubrovskiy A.A., Sapronova N.V., Volkov N.V. Non-linear current–voltage characteristics of (La0.5Eu0.5)0.7Pb0.3MnO3 single crystals: Possible manifestation of the internal heating of chargecarriers. Phys. B: Condens. Matter., 2010, vol. 405, iss. 24, pp. 4961–4965. DOI 10.1016/j.physb.2010.09.043 Tulina N.A., Uspenskaya L.S., Sirotkin V.V., Mukovskii Y.M., Shulyatev D.A. Intrinsic inhomogeneities and effects of resistive switching in doped manganites. Phys. C: Supercond. Appl., 2006, vol. 444, iss. 1–2, pp. 19–22. DOI 10.1016/j.physc.2006.05.081 Povzner A.A., Volkov A.G. Influence of voltage on magnetization of ferromagnetic semiconductors with colossal magnetoresistance. J. Magn. Magn. Mater., 2017, vol. 432, pp. 466–471. DOI 10.1016/j.jmmm.2017.01.104 Moshnyaga V., Gehrke K., Lebedev O.I., Sudheendra L., Belenchuk A., Raabe S., Shapoval O., Verbeeck J., Tendeloo G. Van, Samwer K. Electrical nonlinearity in colossal magnetoresistance manganite films: Relevance of correlated polarons. Phys. Rev. B, 2009, vol. 79, p. 134413. DOI 10.1103/PhysRevB.79.134413 Kowalik M., Tokarz W., Kolodziejczyk A. Electronic Band Structures of La2/3Pb1/3Mn2/3(Fe,Co,Ni)1/3O3. Acta Phys. Pol. A, 2015, vol. 127, pp. 251–253. DOI 10.12693/APhysPolA.127.251