[論文レビュー] Evolution of Structural and Physical Properties of Sr3(Ru1-xMnx)2O7 with Mn Concentration

Biao Hu, Gregory T. McCandless+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2011

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、0 ≤ x ≤ 0.7 の範囲でマンガンドープなSr3(Ru1-xMnx)2O7単結晶を調査し、Mnドーピングが単位格子体積を減少させ、x > 0.16 で (Ru/Mn)O6八面体の回転を抑制することを明らかにした。これにより、5つの異なる領域を有する複雑な相図が得られた。主な発見は、金属-絶縁体転移温度（TMIT）がドーピングに伴い単調に上昇する一方、磁気転移温度（TM）は非単調的挙動を示し、x > 0.16 で強磁性と反強磁性の相互作用が競合していることを示している。

ABSTRACT

Layered ruthenates are prototype materials with strong structure-property correlations. We report the structural and physical properties of double-layered perovskite Sr3(Ru1-xMnx)2O7 single crystals with 0<=x<=0.7. Single crystal x-ray diffraction refinements reveal that Mn doping on the Ru site leads to the shrinkage of unit-cell volume and disappearance of (Ru/Mn)O6 octahedron rotation when x>0.16, while the crystal structure remains tetragonal. Correspondingly, the electric and magnetic properties change with x. The electrical resistivity reveals metallic character (d rho/d T>0) at high temperatures but insulating behavior (d rho/d T<0) below a characteristic temperature T_MIT. Interestingly, T_MIT is different from T_M, at which magnetic susceptibility reaches maximum. T_MIT monotonically increases with increasing x while T_M shows non-monotonic dependence with x. The difference between T_MIT and T_M (T_MIT>T_M) becomes larger when x>0.16. The constructed phase diagram consists of five distinct regions, demonstrating that the physical properties of such a system can easily be tuned by chemical doping.

研究の動機と目的

• 二重層ペロブスカイトSr3(Ru1-xMnx)2O7の構造的・電子的・磁気的性質がMnドーピングによってどのように変化するかを理解すること。
• 特に (Ru/Mn)O6八面体の回転とジャン・テラー歪みを含む構造的歪みが、電子的相転移を引き起こす役割を特定すること。
• 複数の実験的プローブを用いて、0 ≤ x ≤ 0.7 の範囲でSr3(Ru1-xMnx)2O7の完全な相図を構築すること。
• 金属-絶縁体転移（TMIT）と磁気転移（TM）の温度に生じる乖離の原因を明確にすること。
• 固体溶液におけるMnの磁気モーメントおよび酸化状態の進化を調査すること。

提案手法

• Sr3(Ru1-xMnx)2O7（0 ≤ x ≤ 0.7）の単結晶は、イメージ炉を用いたフローティングゾーン法で成長した。
• 単結晶X線回折（XRD）を用いて格子定数、単位格子体積、および結合長を精査し、八面体回転角およびジャン・テラー歪みを特定した。
• 電気抵抗率および比熱は、Quantum Design PPMSを用いて測定し、TMITおよび比熱の異常を特定した。
• 磁化率はSQUID磁化計を用いて測定し、TMの位置を特定するとともに、磁気相関を評価した。
• X線吸収スペクトロスコピー（XAS）およびX線光電子スペクトロスコピー（XPS）を用いて、Mnの酸化状態を確認し、Ruの複数酸化状態の可能性を除外した。
• 相図はTMITおよびTMを境界として構築され、磁気秩序、金属性、相関強度に基づいて領域が分類された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Mnドーピングは、特に (Ru/Mn)O6八面体の回転とジャン・テラー歪みにどのように構造的歪みに影響を与えるか？
• RQ2 TMITとTMの関係は何か？TMITは単調に増加するが、TMは非単調的挙動を示すのはなぜか？
• RQ3 x > 0.16 で長距離反強磁性（AFM）秩序が消えるのはなぜか？この領域で持続する磁気相関の種類は何か？
• RQ4 Sr3(Ru1-xMnx)2O7におけるMnの酸化状態は何か？それは磁気モーメントおよび電子的性質にどのように影響を与えるか？
• RQ5 構造的・電子的・磁気的自由度の相乗作用が、x-T相図に5つの明確な相を形成するメカニズムは何か？

主な発見

• Mnのイオン半径がRuより小さいため、Mn濃度xの増加に伴い、単位格子体積およびc/a比が単調に減少した。
• (Ru/Mn)O6八面体の回転角はxの増加に伴い減少し、x > 0.16 では検出不能となった。これは構造的歪みの喪失を示している。
• ジャン・テラー歪み（ΔJT）はx = 0で1.04からx = 0.7で1.00に減少し、Mnドーピングに伴い八面体歪みが減少することを確認した。
• TMITはxの増加に伴い単調に上昇し、高濃度ドーピングで電子局在化または不純物散乱効果が強化されていることを示唆している。
• TMはxに対して非単調的依存を示し、x ≈ 0.06–0.08でピークを示した。これは強磁性と反強磁性の相互作用の競合を示している。
• x > 0.16 の領域（領域V）では、短距離磁気相関と絶縁的挙動を示すが、長距離磁気秩序は存在しないため、構造的歪みの喪失に起因するAFM秩序の抑制が起こっている。