[논문 리뷰] Evolution of Structural and Physical Properties of Sr3(Ru1-xMnx)2O7 with Mn Concentration

Biao Hu, Gregory T. McCandless외 6명|arXiv (Cornell University)|2011. 08. 01.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 0 ≤ x ≤ 0.7 범위에서 Mn 도핑된 Sr3(Ru1-xMnx)2O7 단일 결정체를 조사하여, Mn 도핑이 단위세포 부피를 감소시키고 x > 0.16일 때 (Ru/Mn)O6 삼각형의 회전을 억제함으로써 다섯 개의 구분 가능한 영역을 포함한 복잡한 상도표를 이끌어내는 것으로 밝혀졌다. 주요 발견은 금속-절연체 전이 온도(TMIT)가 도핑 농도에 따라 단조롭게 증가하는 반면, 자화 전이 온도(TM)는 비단조적 행동을 보이며, x > 0.16를 초과해도 상호작용하는 반강자성 및 강자성 상호작용이 존재함을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 이중층 퍼보스카이트인 Sr3(Ru1-xMnx)2O7의 구조적, 전자적, 자성적 성질이 Mn 도핑에 의해 어떻게 변화하는지 이해하기 위해.
• 특히 (Ru/Mn)O6 삼각형의 회전과 재진동 효과(Jahn-Teller 변형)를 포함한 구조적 왜곡이 전자적 상전이를 이끄는 역할을 규명하기 위해.
• 다양한 실험적 측정 수단을 사용하여 0 ≤ x ≤ 0.7 범위에서 Sr3(Ru1-xMnx)2O7의 완전한 상도표를 구성하기 위해.
• 금속-절연체 전이(TMIT)와 자화 전이(TM) 온도 간의 모순을 명확히 하기 위해.
• 고체 용액 내에서 Mn의 자화 모멘트와 산화 상태의 변화를 조사하기 위해.

제안 방법

• Sr3(Ru1-xMnx)2O7 (0 ≤ x ≤ 0.7)의 단일 결정체는 이미지 오븐에서 유동상 방법을 사용하여 성장시켰다.
• 단일 결정 X선 회절(XRD)을 통해 격자 상수, 단위세포 부피, 결합 길이를 정밀하게 측정하여 삼각형의 회전 각도와 재진동 효과를 결정하였다.
• 전기 저항도와 비열 측정은 Quantum Design PPMS를 사용하여 수행하여 TMIT 및 비열 비정상성을 확인하였다.
• 자기 일식도 SQUID 자석계측기로 측정하여 TM 위치를 특정하고 자성 상관관계를 평가하였다.
• X선 흡수 분광법(XAS)과 X선 방출광전자 분광법(XPS)을 사용하여 Mn의 산화 상태를 확인하고 Ru의 다수의 산화 상태가 존재하지 않음을 배제하였다.
• 상도표는 TMIT와 TM을 경계로 하여, 자성 질서, 금속성, 상관관계 강도에 따라 영역으로 분류하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Mn 도핑은 Sr3(Ru1-xMnx)2O7의 구조적 왜곡, 특히 (Ru/Mn)O6 삼각형의 회전과 재진동 효과에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 TMIT와 TM 간의 관계는 무엇이며, 왜 TMIT는 도핑 농도 증가에 따라 단조롭게 증가하는 반면, TM은 비단조적 행동을 보이는가?
• RQ3 왜 x > 0.16일 때 장거리 반자기 질서(AFM)가 사라지며, 이 영역에서 지속되는 자성 상관관계의 유형은 무엇인가?
• RQ4 Sr3(Ru1-xMnx)2O7 내 Mn의 산화 상태는 무엇이며, 이는 자화 모멘트와 전자적 성질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 구조적, 전자적, 자성 자유도 간의 상호작용이 x-T 상도표에서 다섯 개의 구분 가능한 상을 형성하는 데 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• Mn의 이온 반지름이 Ru보다 작기 때문에, Mn 농도 x가 증가함에 따라 단위세포 부피와 c/a 비율이 단조롭게 감소한다.
• (Ru/Mn)O6 삼각형의 회전 각도는 x 증가에 따라 감소하며, x > 0.16에서는 감지되지 않아 구조적 왜곡의 상실을 시사한다.
• 재진동 효과(Jahn-Teller 변형, ΔJT)는 x = 0일 때 1.04에서 x = 0.7일 때 1.00으로 감소하여 Mn 도핑에 따라 삼각형 왜곡이 감소함을 확인한다.
• TMIT는 x 증가에 따라 단조롭게 증가하여 고도의 도핑 수준에서 전자 국소화 또는 불순물 산산분산 효과가 강화됨을 나타낸다.
• TM은 x에 대해 비단조적 의존성을 보이며 약 x ≈ 0.06–0.08에서 피크를 이룬다. 이는 강자성과 반자기성 상호작용 간의 경쟁을 시사한다.
• x > 0.16일 때 시스템은 짧은 거리의 자성 상관관계와 절연 행동를 보이는 영역(V)으로 진입하며 장거리 자성 질서가 없음을 나타내어, 구조적 왜곡 상실로 인한 반자기 질서 억제를 시사한다.