[논문 리뷰] Anisotropic magnetic property of single crystals $R$V$_6$Sn$_6$ ($R$ = Y, Gd - Tm, Lu)

Jeong Hun Lee, Eundeok Mun|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 06.

Rare-earth and actinide compounds인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 Sn-플럭스 방법을 통해 합성된 단일결정 R V6Sn6 (R = Y, Gd–Tm, Lu)의 이방성 자성 특성을 조사한다. 강한 결정립 전기장에 의해 유도된 자성 이방성, 특히 Tb–Ho의 경우 c축, Er–Tm의 경우 ab평면이 쉽게 자화되는 축으로 나타나며, Gd–Ho의 경우 4.9 K 이하에서 반자성 정렬을 보이고, Er 및 Tm의 경우 1.8 K까지 장거리 정렬이 관찰되지 않으며, V 이온은 비자성이고 자성 행동은 희토류 이온의 국소 4f 모멘트에 의해 결정된다.

ABSTRACT

$R$V${_6}$Sn${_6}$ ($R$ = Y, Gd - Tm, Lu) single crystals are synthesized by Sn-flux method and their physical properties are characterized by magnetization, resistivity, and specific heat measurements. Powder X-ray diffraction patterns of all samples can be well indexed with the hexagonal HfFe$_6$Ge$_6$-type structure, where rare-earth atoms form hexagonal layers and vanadium atoms form Kagome layers. At high temperatures, magnetic susceptibility measurements of moment bearing rare-earths ($R$ = Gd - Tm) follow Curie-Weiss behavior. Effective moments estimated from the polycrystalline average of magnetic susceptibility curves are consistent with the values for free $R^{3+}$ ion. Strong magnetic anisotropy due to crystalline electric field effects is observed for moment bearing rare-earths, except GdV$_6$Sn$_6$. The easy magnetization direction is determined to be $c$-axis for $R$ = Tb - Ho and $ab$-plane for $R$ = Er, and Tm. The vanadium ions in $R$V${_6}$Sn${_6}$ possess no magnetic moment. The compounds for $R$ = Y and Lu exhibit typical characteristics of paramagnetic metals. At low temperatures, the magnetic ordering is confirmed from magnetization, specific heat, and resistivity: the highest $T_{N} = 4.9$~K for GdV$_6$Sn$_6$ and the lowest $T_{N} = 2.3$~K for HoV$_6$Sn$_6$. No magnetic ordering is observed down to 1.8~K for $R$ = Er and Tm. A slight deviation of the magnetic ordering temperature from the de Gennes scaling suggests the dominant Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) exchange interaction between rare-earth moments in metallic $R$V${_6}$Sn${_6}$ compounds.

연구 동기 및 목표

• 단일결정 R V6Sn6 (R = Y, Gd–Tm, Lu) 화합물의 자성 이방성 및 정렬 행동을 조사하기 위해.
• 이들 산화물계에서 희토류 4f 모멘트에 영향을 주는 결정립 전기장(Crystalline Electric Field, CEF) 효과의 역할을 규명하기 위해.
• R V6Sn6에서 자성 정렬이 발생하는지 확인하고 자성 기저 상태의 성격을 명확히 하기 위해.
• R V6Sn6의 바나듐 이온이 비자성임을 입증하여 자성 반응이 희토류 4f 전자에만 기인함을 확립하기 위해.
• 비자성 V 원자로 구성된 2차원 카코메 라티스에서 RKKY 상호작용과 기하학적 난류의 상호작용을 탐색하기 위해.

제안 방법

• R V6Sn6의 단일결정은 R:V:Sn 비율이 1:6:62인 Sn-플럭스 방법을 사용하여 1225 °C에서 850 °C로 1.25 °C/h 속도로 천천히 냉각하여 성장시켰다.
• 분말 X선 회절(XRD) 분석을 통해 HfFe6Ge6형의 헥사고날 구조를 확인하였으며, R 원자는 삼각형 레이어에, V는 카코메 레이어에 존재함을 확인하였다.
• 1.8 K에서 300 K까지의 온도 범위에서 최대 70 kOe의 자기장 조건 하에서 DC 자화도, 저항도, 잠열 측정을 수행하였다.
• 자기이방성은 자화도를 온도 및 자기장 방향(c축 대비 ab평면)에 따라 측정하여 결정지었다.
• 다결정 평균 자화율 데이터로부터 효과적 자화모멘트와 큐리-우즈 행동을 추출하였다.
• Cm/T의 통합을 통한 열량 분석을 통해 CEF 준위의 기저 상태 다중도를 추론하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 R V6Sn6 (R = Y, Gd–Tm, Lu) 단일결정의 결정구조와 자성 이방성은 무엇인가?
• RQ2 결정립 전기장 효과가 자성 정렬 및 자화의 용이한 축에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 반자성 전이가 발생하는 온도는 얼마이며, 어떤 희토류 화합물이 1.8 K 이하에서 정렬되는가?
• RQ4 GdV6Sn6에서 TN에서의 자성 엔트로피가 기대되는 Rln(8) 값보다 감소한 이유는 무엇인가?
• RQ5 RKKY 상호작용과 기하학적 난류가 이 카코메 기반 시스템의 자성 기저 상태에 어느 정도의 영향을 미치는가?

주요 결과

• 모든 R V6Sn6 화합물은 HfFe6Ge6형의 헥사고날 구조를 가지며, V는 고립된 카코메 레이어를 형성하고, R은 삼각형 레이어를 형성한다.
• 자기이방성은 CEF 효과로 인해 강하게 나타나며, Tb–Ho의 경우 자화의 용이한 방향은 c축이고, Er 및 Tm의 경우 ab평면이다.
• GdV6Sn6에서는 TN = 4.9 K, HoV6Sn6에서는 TN = 2.3 K에서 반자성 정렬이 관찰되며, ErV6Sn6 및 TmV6Sn6의 경우 1.8 K까지 장거리 정렬이 관찰되지 않는다.
• 큐리-우즈 피팅을 통한 효과적 자화모멘트는 자유 상태 R3+ 이온의 값과 일치하여 국소 4f 모멘트의 존재를 확인한다.
• 잠열 및 엔트로피 분석 결과, TbV6Sn6는 가짜 더블렛 기저 상태(S_m ≈ Rln(2))를, DyV6Sn6는 캄레르 더블렛을, HoV6Sn6는 삼중항 또는 가짜 삼중항 상태일 가능성이 있음을 시사한다(S_m > Rln(3)).
• GdV6Sn6에서 자성 엔트로피가 TN에서 기대되는 Rln(8)의 약 50%에 불과하게 감소한 것은 자성 위치의 불순성 또는 비동축 스핀 구조의 가능성을 시사하지만, 모멘트 크기의 일치는 유지된다.