Kintamos temperatūros sinchrotrono rentgeno spinduliuotės difrakcijos tyrimas dideliam magnetiniam atsparumui ndmnaso0.95f0.05 | mokslinės ataskaitos

Kintamos temperatūros sinchrotrono rentgeno spinduliuotės difrakcijos tyrimas dideliam magnetiniam atsparumui ndmnaso0.95f0.05 | mokslinės ataskaitos

Anonim

Dalykai

  • Magnetinės medžiagos
  • Magnetinės savybės ir medžiagos

Anotacija

Neseniai atrastas aukštas temperatūros superlaidumas Fe arseniduose paskatino pereinamųjų metalų piknikų tyrimus. Neseniai buvo pranešta apie koldinį magnetinį atsparumą (CMR) NdMnAsO1-xFx, kai x = 0, 05–0, 08, o maksimalus magnetinis atsparumas pasiektas žemoje temperatūroje (MR 9T (3 K) = −95%). Atrodo, kad tai yra naujas CMR mechanizmas, atsirandantis dėl antrosios eilės fazių perėjimo lauke iš izoliacinio antiferromagneto į puslaidininkinį paramagnetą. Pateikiame kintamos temperatūros sinchroninio rentgeno spinduliuotės miltelių rentgeno spinduliuotės difrakcijos, atliktos CMR oksidnikidu NdMnAsO 0, 95 F 0, 05, esant 4 K – 290 K. Puikiai tinka tetragonaliniam vieneto elementui, kurio erdvės grupė yra P4 / nmm, visame temperatūros diapazone. nepastebint kristalų struktūros pokyčių iki 4 K. Stebimas tinklelio ir magnetinės tvarkos sujungimas, kai akivaizdūs subtilūs temperatūros pokyčių a ir c / a santykiai, nes Nd sukasi antiferromagnetiniu būdu ir Mn momentai. persiorientuokite į bazinę plokštumą ties T SR . Rezultatai rodo, kad labai maži grotelių parametrų pokyčiai daro įtaką grotelių, elektroninio ir magnetinio laisvės laipsnių jungčiai.

Įvadas

Aukštos temperatūros superlaidumo atradimas keturkampyje oksipnikide LaFeAsO 1 atnaujino pereinamųjų metalų oksikniciktų tyrimus. Superlaidumas gali būti suaktyvintas 1111 tipo pikniduose, pakeičiant deguonį fluoru 2, 3, 4, sukuriant 5 deguonies laisvas vietas arba pakeičiant retuosius žemius Th 4+ 6, kai didžiausia dabartinė T c yra 56, 3 K, pasiekta Gd 1 - x Th x FeAsO. Pradinis LaFeAsO junginys kristalizuojasi su P4 / nmm erdvės grupėje esančia tetragonaline vieneto ląstele, o laidus Fe 2 As 2 sluoksnis yra tarp izoliuojančių La 2 O 2 plokštumų 7 . Struktūrinis iškraipymas iš tetragonalinės į ortorombinę simetriją (kosmoso grupė Cmma) įvyksta aušinant antiferromagnetiniu (AFM), mažesniu nei T s 8, 9 . Superlaidžioji fazė atsiranda, kai slopinama konstrukcijos ir magnetinė įžeminimo būsena (pvz., Cheminiu dopingu 10 ), ir kai kuriose nedeformuotose sistemose ją gali sukelti išorinis slėgis 11, 12, 13 . Egzistuoja empirinis ryšys tarp As-Fe-As jungties kampų iškraipymo ir pradinės temperatūros, kad būtų pasiektas superlaidumas ( T c ), nes maksimalios vertės yra pasiekiamos, kai FeAs 4 grotelėse susidaro taisyklingos tetraedros, kurios rodo aiškų ryšį tarp kristalo. struktūra ir superlaidumas.

Nors mangano analogai ( Ln MnAsO, Ln = La, Nd) nėra superlaidūs, parodyta, kad jie pasižymi dideliu magnetiniu atsparumu (MR) nuo K 150 K – 380 K, o MR vertės iki –24% yra 200 K „LaMnAsO“ 15, 16 . Magnetinis pasipriešinimas apibrėžiamas kaip elektrinės varžos ρ pokytis pritaikytame magnetiniame lauke H , kad MR = ( ρ ( H ) - ρ (0)) / ρ (0); medžiagas, turinčias šį efektą, svarbu naudoti atminties įrenginiuose ir magnetiniuose jutikliuose. Tolesni tyrimai atskleidė, kad pakeitus F - O 2− NdMnAsO 1− x F x (x = 0, 05–0, 08), stebimas didžiulis magnetinis atsparumas (CMR). Maksimalus MR pasiekiamas NdMnAsO 0, 95 F 0, 05 žemoje temperatūroje (MR 9T (3 K)) = −95%) 17 .

Priešingai nei Fe superlaidininkai, NdMnAsO 0, 95 F 0, 05 iki 4 K 17 nėra struktūrinių iškraipymų; dar, neutronų difrakcijos tyrimai rodo, kad egzistuoja keli magnetiniai perėjimai. Mn 2+ sukinių antiferomagnetinis išdėstymas vyksta esant 356 K, kai momentai yra išlyginti lygiagrečiai su c , o po to retųjų žemių eilės tvarka yra 23 K K, kur Nd 3+ sukimai išdėstomi antiferomagnetiniu būdu, kai momentai yra lygiagrečiai bazinei plokštumai. Tuo pačiu metu Mn sukiniai sukasi iš naujo, nes jie sukasi iš pradinio išlyginimo išilgai c ašies į ab plokštumą taip, kad T SR = 20 K Mn sukimai taip pat būtų išlyginti lygiagrečiai bazinei plokštumai. MR stebimas žemiau 75 K, o toliau didėja žemiau T SR . Pasiūlyta, kad CMR NdMnAsO 0, 95 F 0, 05 atsiranda dėl paslėpto užsakymo parametro, dėl kurio konkurencija tarp AFM izoliacinės fazės ir paramagnetinio puslaidininkio atsiranda pritaikius magnetinį lauką 17 . Be to, naujausi aukšto slėgio neutronų difrakcijos tyrimai atskleidė, kad Mn sukimosi dažnio AFM tvarka pagal NdMnAsO 0, 95 F 0, 05 yra tvirta iki 8, 59 GPa slėgio, o T Mn padidėja nuo 360 iki 383 K, kai išorinis slėgis yra 4, 97 GPa 18 . Tačiau parodyta, kad NdMnAsO 0, 95 F 0, 05 pažeidžia Blocho taisyklę, kuri leidžia manyti, kad NdMnAsO 0, 95 F 0, 05 yra lokalizuoto į keliaujantį perėjimą slenksčio18.

Retųjų žemių keitimas iš Nd į Pr Ln MnAsO 0, 95 F 0, 05 daro dramatišką poveikį mangano medžiagų struktūrinėms, magnetinėms ir elektroninėms savybėms. Kintamos temperatūros sinchrotrono rentgeno spinduliuotės rezultatai apibūdina struktūrinį perėjimą iš tetragonalinės į ortorombinę simetriją, kai erdvės grupė Pmmn yra žemesnė kaip 35 K (PrMnAsO 0, 95 F 0, 05 19) . Iškraipymas atsiranda dėl feromultipolinių Pr-sukinių išdėstymo ir yra susijęs su dideliu neigiamu MR (MR 7T (12 K) = –13, 4%), vietoje CMR, stebimo Nd analoge 17 .

Norėdami išsamiau ištirti CMR medžiagos NdMnAsO 0, 95 F 0, 05 kristalų struktūros ir elektroninių bei magnetinių savybių ryšį, atlikome kintamos temperatūros sinchroninio rentgeno spinduliuotės difrakcijos tyrimą nuo 4 K iki 290 K. Rezultatai rodo, kad yra kristalų struktūros pokyčiai tiriamų temperatūrų intervale nedaromi, palyginti su PrMnAsO 0, 95 F 0, 05 ir superlaidžiais Fe analogais. Tačiau T SR stebimi nedideli gardelės parametro ir c / a santykio netolygumai.

Rezultatai ir DISKUSIJA

NdMnAsO 0, 95 F 0, 05 7 T magnetinio atsparumo temperatūros priklausomybė parodyta 1 pav. Kaip jau buvo pranešta anksčiau, MR stebimas žemiau ∼ 80 K ir jo laipsnis didėja eksponentiškai aušinant 17 . MR dydis smarkiai pakyla žemiau T SR , kad esant 4 K MR 7T = –90%. MR lauko kitimas taip pat parodytas 1 pav. Ir atkuria ankstesnius rezultatus 17 .

Image

Pastebimas −90% MR esant 4 K, 7 T. Intarpas parodo MR kitimą, esant laukui esant 4 K.

Visas dydis

Kintamos temperatūros sinchroninio rentgeno spinduliuotės miltelių difrakcijos duomenys buvo analizuojami naudojant Rietveld tobulinimo metodą 20 ir GSAS programą 21, siekiant nustatyti kristalų struktūrą. Fonai buvo pritaikyti naudojant linijinę interpoliaciją, o smailės formos buvo modeliuojamos naudojant pseudo-Voigt funkciją. Stebima nedidelė priemaišų fazė MnAs ir ji buvo modeliuojama, gaunant 1, 05% tūrio dalį.

Rietveldo patikslinti didelės skiriamosios gebos sinchroninio rentgeno spinduliuotės miltelių difrakcijos duomenys, surinkti tarp 4 ir 290 K, patvirtino, kad NdMnAsO 0, 95 F 0, 05 kambario temperatūroje kristalizuojasi su laukiama ZrCuSiAs tipo tetragonine erdvės grupės P 4 / nmm struktūra (2 pav.), Kur 2 pav. Izoliaciniai jonų (NdO / F) + sluoksniai yra įterpti tarp tetraedrinių (MnAs) sluoksnių. Puikiai tinka šiai erdvės grupei bet kurioje temperatūroje (3 pav.). Nėra įrodymų, kad smailės suskaidomos ar antstato smailės rodo simetrijos pasikeitimą aušinant. Patikslintos grotelių konstantų, atomų parametrų, pasirinktų jungčių ilgių ir kampų vertės su atitinkamais kintamos temperatūros suderinimo indeksais atitinka duomenis, pateiktos 1 lentelėje. Nėra katijonų ar As / O anijonų sutrikimo požymių. Nd, Mn ir As užimtumai buvo nustatyti ne daugiau kaip ± 1% viso užimtumo ir buvo nustatyti 1, 0. O ir F užimtumai buvo fiksuoti atitinkamai 0, 95 ir 0, 05.

Image

(NdO / F) + ir (MnAs) - plokštės yra paženklintos.

Visas dydis

Image

290 K ir 4 K Rietveld patobulinimo detalės yra parodyta atitinkamai a ir b punktuose. Ženklelių žymės atspindi NdMnAsO 0, 95 F 0, 05 ir MnAs mažosios priemaišų fazės atspindėjimo vietas atitinkamai iš apačios į viršų.

Visas dydis

Pilno dydžio lentelė

Ląstelės parametrų priklausomybė nuo temperatūros parodyta 4 pav. Ląstelės parametro temperatūros kitimo metu pastebima nedidelė anomalija, kai 23 K ( T SR ) nustatomas nuolydžio pokytis. Šis netolygumas neatsiranda c ląstelės parametro, kuris rodo normalų šiluminį plėtimąsi, temperatūros pokyčiuose (4 pav. (Įterpimas)), bet jis yra matomas santykio c / a atžvilgiu (4 pav. (Įterpimas)). Jo taip pat nėra nė viename iš jungčių ilgių ar kampų atvėsus iki 4 K (1 lentelė). Mn-As ir Nd-O jungčių ilgių kitimas atsižvelgiant į temperatūrą yra parodytas 5 pav. Abu aušinimo ilgiai mažėja. As-Mn-As ir Nd-O-Nd jungčių kampai reikšmingai nesikeičia esant temperatūrai (1 lentelė).

Image

Temperatūros kitimo a ir c / a temperatūroje T SR stebimas nedidelis netolygumas. Ši anomalija nepastebėta priklausomai nuo c ląstelės parametro temperatūros.

Visas dydis

Image

Atšaldant iki 4 K, pastebimas abiejų jungčių ilgių sumažėjimas.

Visas dydis

Subtilioji T SR anomalija ląstelės parametre pradiniame junginyje NdMnAsO 22 nėra akivaizdi. Tačiau santykis c / a rodo, kad keičiasi nuolydis ties T SR, ir tai rodo silpną jungtį tarp grotelių ir magnetinės tvarkos 22 . Atrodo, kad NdMnAsO 0, 95 F 0, 05 yra stipresnis tinklelio ir magnetinės tvarkos ryšys, kur T SR matomi ryškesni a ir c / a santykio pokyčiai . Ši stipresnė jungtis gali atsirasti dėl tinklelio susitraukimo, pakeitus F - O 2− ( a ir c traukiasi nuo 4.0503 (1) ir 8.9150 (4) iki 4.0500 (1) ir 8.9040 (4), padidėjus x nuo 0 iki 0, 05 NdMnAsO 1 − x F x 17 ). „ Ln MnAsO“ sistemoje „Dzyaloshinskii-Moriya“ (DM) ir biquadratic (BQ) mainai tarp Ln 3+ ir Mn yra stiprūs ir kontroliuoja nugaros perorientavimo perėjimą 23 ; „Bd“ birža dominuoja „NdMnAsO“. Iš esmės mažesnis vieneto elementas, esantis NdMnAsO 0, 95 F 0, 05, galėtų sustiprinti magnetinius mainus tarp Nd 3+ ir Mn 2+ jonų, o tai savo ruožtu padidins nugaros gardelės jungtį T SR .

NdMnAsO ir fluoro turinčių mėginių, NdMnAsO 1− x F x , elektroninės savybės taip pat labai skiriasi. Virš 90 K, NdMnAsO 0, 95 F 0, 05 elektroninėje elgsenoje vyrauja termiškai aktyvuoti krūvio nešėjai per juostos tarpą taip, kad ρ = ρ 0 exp ( E g / 2 kT ) ( E g = 23 meV) 17 . Varžos temperatūros pokytis gali būti modeliuojamas naudojant nešmenų, esančių žemiau 85 K, trimatį kintamąjį diapazoną (VRH) 24 (varža, ρ , apibrėžiama kaip ρ = ρ 0 exp ( T 0 / T ) 0, 25 ). Kintamojo diapazono šuolio mechanizme lokalizuotas elektronas gali judėti iš vienos lokalizacijos vietos į kitą tik fonono pagalba peršokdamas, tai yra kombinuotas termiškai aktyvus kvantinio tuneliavimo procesas. Elektronas tuneliu į kitą vietą pateks tik tada, jei bus sumažinta šuoliui reikalinga šiluminio aktyvavimo energija. Žemiau T SR , NdMnAsO 1− x F x ( x = 0, 05–0, 08), Mn sukimosi perorientavimas, nukreiptas iš lygiavimo išilgai c iki suderinimo lygiagrečiai su krituliais, sukuria elektroninį perėjimą iš trijų matmenų Mott kintamo diapazono šuolio (VRH) į Efrosas Shklovskii (ES) VRH 25 . Tai reiškia, kad perorientuojant Mn sukasi į bazinę plokštumą, padidėja Coulombo koreliacija tarp lokalizuotų elektronų 17, o tai lemia žymiai didesnį atsparumą nei T SR . Pradiniame junginyje šio pokyčio nepastebėta. Perėjimas prie ES VRH NdMnAsO 1 – x F x ( x = 0, 05–0, 08) yra nepaprastai svarbus CMR atsiradimui F -turinčiose medžiagose, nes CMR atsiranda dėl sumažėjusio Kulono santykio koreliacijose, pritaikius magnetinį lauką 17. . Taikant magnetinį lauką, stebimas perėjimas nuo izoliacinio antiferomagnetinio į puslaidininkinį paramagnetą, o tai lemia elektroninį perėjimą iš ES VRH į Mott VRH.

Didelė tikimybė, kad stipresnis grotelių atsakas į verpimo perorientavimo perėjimą NdMnAsO 0, 95 F 0, 05 išstumia elektroninį perėjimą į ES VRH, nes ląstelės parametras staiga sumažėja žemiau T SR, o Coulomb koreliacijos sustiprėja. Anksčiau buvo įrodyta, kad „LnFeAsO“ sistemų elektroninė struktūra labai priklauso nuo nedidelių tarptominių atstumų pokyčių 26 . Atrodo, kad tas pats gali būti ir su 1111 Mn 2+ analogais, todėl pateisinami tolesni elektroninės struktūros tyrimai.

Apibendrinant mes ištyrėme NdMnAsO kristalų struktūros priklausomybę nuo temperatūros 0, 95 F 0, 05 . Nėra įrodymų apie kristalų simetrijos pasikeitimą atvėsus, tačiau T SR yra subtili gardelės anomalija ląstelės parametro temperatūros kitimo ir c / a santykio atžvilgiu. Mes siūlome, kad šis ryšys tarp grotelių ir magnetinės tvarkos leistų elektroniniu būdu pereiti į ES VRH žemiau T SR , kad CMR medžiagoje NdMnAsO 0, 95 F 0, 05 būtų akivaizdus ryšys tarp grotelių, elektroninio ir magnetinio laisvės laipsnių.

Metodai

Sintezė

Polikristalinis NdMnAsO 0, 95 F 0, 05 pavyzdys buvo susintetintas dviejų pakopų kietojo kūno reakcijos metodu. Iš pradžių NdAs pirmtakas buvo gautas reaguojant Nd gabalus (Aldrichas 99, 9%) ir As (Alfa Aesar 99, 999%) 900 ° C temperatūroje 24 valandas evakuotame, uždarytame kvarco mėgintuvėlyje. Gautas pirmtakas buvo sureaguotas su stechiometriniais MnO2, Mn ir MnF2 kiekiais (Aldrichas 99, 99%), visi milteliai buvo sumalami inertiškoje atmosferoje ir suspausti į 10 mm skersmens granules. Granulės buvo dedamos į „Ta“ tiglį ir sukepintos 48 valandas 1150 ° C temperatūroje, vėl kvarco mėgintuvėlyje, uždarytame vakuume.

Fiziniai matavimai:

Elektrinės varžos priklausomybė nuo temperatūros buvo užregistruota naudojant „Quantum Design“ fizikinių savybių matavimo sistemą (PPMS) nuo 4 T iki 280 K magnetiniuose laukuose nuo 0 T iki 7 T. Elektrinės varžos priklausomybė nuo lauko buvo užfiksuota magnetiniuose laukuose ± 9. T.

Struktūrinis apibūdinimas

Didelės skiriamosios gebos sinchroninio rentgeno spinduliuotės miltelių NdMnAsO 0, 95 F 0, 05 difrakcijos modeliai buvo užfiksuoti ID31 pluošto linijoje ESRF, Grenoblyje, Prancūzijoje, pasirinktoje temperatūroje nuo 4 K iki 290 K, o bangos ilgis buvo 0, 3999 Å. Miltelių mėginys buvo įdėtas į 0, 5 mm skersmens borosilikatinio stiklo kapiliarą ir susuktas ~ 1 Hz dažniu, kad milteliai būtų geresni už kristalitus. Difrakcijos raštai buvo surinkti 2–45 ° 2gular kampų diapazone ir buvo atnaujinti iki pastovaus 0, 002 ° žingsnio dydžio kiekvienam nuskaitymui.

Komentarai

Pateikdami komentarą jūs sutinkate laikytis mūsų taisyklių ir bendruomenės gairių. Jei pastebite ką nors įžeidžiančio ar neatitinkančio mūsų taisyklių ar gairių, pažymėkite, kad tai netinkama.