[論文レビュー] Crystal and Magnetic Structure of CaCo{1.86}As2 Studied by X-ray and Neutron Diffraction

D. G. Quirinale, V. K. Anand+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2013

Iron-based superconductors research被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、X線および中性子回折を用いてCaCo₁.₈₆As₂の結晶構造および磁気的構造を決定した。これは、7(1)%のCoサイト空孔を有する収縮正方晶ThCr₂Si₂型構造であり、T_N = 52(1) K未満でA型反強磁性秩序が確認された。磁気モーメントはc軸に整列しており、ab面内では強磁性結合を示す。これは、cT相におけるCo+1が、類縁のFe基化合物が非磁性を示すのとは対照的に、固有に磁性を示すことを確立した。

ABSTRACT

Neutron and x-ray diffraction measurements are presented for powders and single crystals of CaCo{1.86}As2. The crystal structure is a collapsed-tetragonal ThCr2Si2-type structure as previously reported, but with 7(1)% vacancies on the Co sites corresponding to the composition CaCo{1.86(2)}As2. The thermal expansion coefficients for both the a- and c-axes are positive from 10 to 300 K. Neutron diffraction measurements on single crystals demonstrate the onset of A-type collinear antiferromagnetic order below the Neel temperature TN = 52(1) K with the ordered moments directed along the tetragonal c-axis, aligned ferromagnetically in the ab-plane and antiferromagnetically stacked along the c-axis.

研究の動機と目的

• 高分解能回折技術を用いて、CaCo₁.₈₆As₂の正確な結晶構造および磁気的構造を特定すること。
• 先行研究におけるスピン翻訳温度および磁気秩序パターンに関する矛盾を解消すること。
• Coサイト空孔および収縮正方晶(cT)構造が、この122族砒化物における磁気秩序の発現に果たす役割を調査すること。
• cT相におけるCo+1が固有に磁性を示すかどうかを明確にすること。これは、類縁のFe基化合物（例：CaFe₂As₂）がcT相で非磁性を示すのと対照的である。

提案手法

• 粉末および単結晶X線回折を用いて、結晶構造を精製し、Coサイト空孔の存在を確認した。
• 単結晶に対する中性子回折を用いて、磁気的構造および磁気転移温度を決定した。
• WDS（波長分散型スペクトロスコピー）を用いて、元素組成を定量し、Coの化学 stoichiometry を確認した。
• 温度依存性の格子定数測定を実施し、熱膨張挙動を分析した。
• 磁気的X線・中性子回折データを解析して、磁気伝播ベクトルおよびモーメントの整列方向を特定した。
• X線および中性子粉末回折データを同時に精製することで、精製された構造モデルの妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CaCo₁.₈₆As₂の真の化学 stoichiometry は何か？ また、Coサイト空孔はその構造にどのように影響を与えるか？
• RQ2 CaCo₁.₈₆As₂は長距離磁気秩序を示すか？ もし示すならば、その磁気的構造の性質は何か？
• RQ3 CaCo₁.₈₆As₂の正しいスピン翻訳温度は何か？ また、以前の報告と比較するとどうなるか？
• RQ4 収縮正方晶構造は、この化合物におけるCo+1の磁気的挙動にどのように影響を与えるか？
• RQ5 CaCo₁.₈₆As₂の磁気秩序は、A型反強磁性秩序と整合性があるか？

主な発見

• CaCo₁.₈₆As₂の結晶構造は、Coサイトに7(1)%の空孔を有する収縮正方晶ThCr₂Si₂型構造であり、CaCo₂As₂ではなくCaCo₁.₈₆(2)As₂の化学組成であることが確認された。
• 10–300 Kの範囲で、aおよびc格子定数の熱膨張係数は正であり、従来の熱膨張挙動を示している。
• 中性子回折により、T_N = 52(1) K未満でA型反強磁性秩序が確認され、Coの磁気モーメントはc軸に整列している。
• 磁気モーメントはab面内で強磁性に整列しており、c軸方向に反強磁性に積み重ねられている。これはA型秩序と整合的である。
• 観測されたスピン翻訳温度は、以前の報告（70–76 K）と比較して約20 K低い。これは、初期測定値に誤差がある可能性を示唆している。
• 結果から、cT相におけるCo+1は固有に磁性を示すことが確認された。これは、類縁のFe基化合物（例：CaFe₂As₂）がcT相で非磁性を示すのと対照的である。