[論文レビュー] Long-range magnetic ordering in rocksalt-type high-entropy oxides

Marco Polo Jimenez-Segura, T. Takayama+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2019

High Entropy Alloys Studies被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、イオン混在度が著しく高い状態であるにもかかわらず、岩塩構造高エントロピー酸化物、特に(MgCoNiCuZn)Oにおいて長距離磁気秩序が実証された。磁化率および中性子回折を用いて、遷移温度が120 Kであることが特定され、磁気秩序が極めて不規則な系においても成立しうることを示した。磁気基底状態は、反強磁性秩序とスピンガラス行動の間で化学的置換により調整可能である。

ABSTRACT

We report the magnetic properties of Mg$_{0.2}$Co$_{0.2}$Ni$_{0.2}$Cu$_{0.2}$Zn$_{0.2}$O, a high-entropy oxide with rocksalt structure, and the influence of substitutions on these properties. From the magnetic susceptibility and neutron diffraction measurements, we found that this compound exhibits long-range magnetic order below 120 K despite the substantial structuraldisorder. The other rocksalt-type high-entropy oxides with various chemical substitutions were found to host either an antiferromagnetic order or spin-glass state depending on the amount of magnetic ions. The presence of magnetic order for such a disordered material potentially provide a route to explore novel magnetic properties and functions.

研究の動機と目的

• 高配置混乱度を示す岩塩構造高エントロピー酸化物（HEOx）の磁気的性質を調査すること。
• 予想されるスピンガラス行動とは対照的に、このような不規則な系においても長距離磁気秩序が維持されるかを特定すること。
• 磁性イオン含有量や置換の影響が磁気基底状態に与える影響を調査すること。
• エントロピー安定化酸化物における磁気機能のチューニングフレームワークを確立すること。

提案手法

• 二酸化物および炭酸塩の固体反応を経て岩塩構造を形成し、高温アニールおよび急速クエンチングにより高エントロピー酸化物を合成する。
• X線回折を用いて単相岩塩構造（Fm3̄m）の確認および格子定数の決定を行う。
• 磁化率測定（ZFC/FC）を実施し、相転移の検出およびCurie-Weiss解析により有効磁気モーメントとウィース温度を抽出する。
• 100 Hz～8 kHzの周波数範囲での交流磁化率測定により、動的挙動を解析し、スピンガラス的凍結転移を同定する。
• 中性子回折を用いて長距離磁気秩序の確認を行い、プロトタイプ化合物(MgCoNiCuZn)Oにおいて短距離秩序やスピンガラス的性質が存在しないことを裏付ける。
• 磁性イオン濃度および酸化状態の調整を目的として、二価イオンをLi/GaやFeに置換する体系的変化を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強いかいだんイオン不規則性を示す岩塩構造高エントロピー酸化物において、長距離磁気秩序が出現しうるか？
• RQ2 Co²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺の磁性イオン濃度が、これらの不規則酸化物の磁気基底状態にどのように影響するか？
• RQ3 (MgCoNiCuZn)Oにおける磁気転移の性質は何か？また、二成分岩塩酸化物と比較してどう異なるか？
• RQ4 化学的置換により、HEOxの磁気的性質をチューニング可能か？その結果得られる磁気相は何か？
• RQ5 Fe³⁺などのカチオン酸化状態の変化が、磁気交換経路および基底状態にどのように寄与するか？

主な発見

• プロトタイプ高エントロピー酸化物(MgCoNiCuZn)Oは、120 K未満で長距離反強磁性秩序を示し、中性子回折および磁化率の明確なクビッジによって確認された。
• 120 Kという磁気転移温度（Tmag）は、二成分酸化物と比較して顕著に低下しており、不規則格子内での磁性イオンの希釈が原因であるとされる。
• 磁気基底状態はチューニング可能である：3つの磁性イオン（Co、Ni、Cu）を含む化合物では長距離反強磁性秩序を示し、磁性イオンが少ない系（例：MgNiCuZn）では10–60 Kでスピンガラス的凍結を示した。
• 交流磁化率測定では、低磁性イオン系においてTmagで周波数依存のクビッジが観察され、スピンガラス的挙動とガラス的動的挙動を示している。
• (MgCoNiCuZn)Oの有効磁気モーメント（μeff）は2.95 μB/f.u.であり、計算値2.66 μB/f.u.に近い値であった。これは局在的磁気モーメントの存在を支持する。
• Fe³⁺への置換（(MgCoNiCuZn)₀.₈(LiFe)₀.₂O）により、Tmagが約100 Kに低下し、周波数依存性が弱くなった。これは、長距離秩序とガラス的性質の中間的な複雑な磁気状態である可能性を示唆している。