[논문 리뷰] Glass-like thermal conductivity and narrow insulating gap of EuTiO$_3$

Alexandre Jaoui, Shan Jiang외 9명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 05.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 유리와 유사한 열전도도를 보이는 EuTiO₃가 5.5 K의 네일 온도 이하에서도 유럽 이온의 4f 전자에 의한 강한 스핀-포논 결합으로 인해 나타남을 밝혀냈다. 자기적 불안정성이 없고 단순한 G형 반자성체임에도 불구하고, 유로늄 위치에서의 큰 자화 모멘트의 무작위 정렬이 열전도도를 극도로 저하시켜, 넓은 온도 범위에서 비정질 실리카 수준으로 낮추며, 약 ~0.22 eV의 좁은 고유 밴드 갭을 가짐.

ABSTRACT

Crystals and glasses differ by the amplitude and the temperature dependence of their thermal conductivity. However, there are crystals known to display glass-like thermal conductivity. Here, we show that EuTiO$_3$, a quantum paraelectric known to order antiferromagnetically at 5.5 K, is one such system. The temperature dependence of resistivity and Seebeck coefficient yield an insulating band gap of $\sim 0.22$ eV. Thermal conductivity is drastically reduced. Its amplitude and temperature dependence are akin to what is seen in amorphous silica. Comparison with non-magnetic perovskite solids, SrTiO$_3$, KTaO$_3$, and EuCoO$_3$, shows that what impedes heat transport are $4f$ spins at Eu$^{2+}$ sites, which couple to phonons well above the ordering temperature. Thus, in this case, superexchange and valence fluctuations, not magnetic frustration, are the drivers of the glass-like thermal conductivity.

연구 동기 및 목표

• 5.5 K에서 반자성 질서를 가지는 양자 반전자성체인 EuTiO₃에서 비정상적으로 낮은 열전도도의 기원을 규명하기 위해.
• 특히 Eu²⁺ 4f 스핀이 열전도도의 유리와 유사한 거동을 유도하는지 여부를 확인하기 위해.
• 스핀-포논 결합이 자기적 불안정성 또는 스핀 액체 거동이 아닌 열전도도 저하의 주요 원인인지 명확히 하기 위해.
• 전기적 운반체 및 열전력 측정 데이터를 통해 EuTiO₃의 고유 전자 밴드 갭을 측정하기 위해.
• 비자성 퍼보스카이트(StTiO₃, KTaO₃, EuCoO₃)와의 비교를 통해 4f 전자 기여를 분리하기 위해.

제안 방법

• Arrhenius 분석을 통해 저항도 및 세베크 계수 데이터로부터 활성화 에너지와 밴드 갭을 추출하기 위해 단결정 EuTiO₃에서 전기 저항도와 세베크 계수를 측정함.
• 온도 의존성 열전도도 측정을 통해 EuTiO₃, SrTiO₃, KTaO₃, EuCoO₃의 거동를 비교함.
• 선형화된 볼츠만 운반 방정식을 적용하여 포논 운반을 모델링하고 열전도도 데이터로부터 평균 자유로움을 유추함.
• 음속(6.8 km/s)을 사용하여 포논 평균 자유로움을 추정하고, 열파수 q_s = k_B T / (ħ v_s)와 비교하여 국소화 효과를 평가함.
• 이론적 모델링을 통해 진동 모드 간의 비대칭 결합을 분석하고, 식 (1)을 확장하여 스핀-격자 하이브리드화를 포함함.
• 결정 구조 및 타이타늄과 산소를 통한 초과교환 경로를 분석하여 스핀 정렬이 상호원자 힘 상수 및 포논 분산에 미치는 영향을 평가함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기적 불안정성이나 스핀 액체 특성이 없는 유럽 이온의 열전도도가 어떻게 유리와 유사하게 나타나는가?
• RQ2 네일 온도 이상에서도 Eu²⁺ 4f 전자가 포논 운반에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 EuTiO₃의 고유 전자 밴드 갭은 얼마이며, 광학적 및 ab initio 추정치와 비교해 볼 때 어떻게 되는가?
• RQ4 유로늄 위치에서의 무작위 자화 모멘트가 포논의 공명성을 얼마나 깨뜨리고 열전도도를 얼마나 저하시키는가?
• RQ5 관측된 열전도도 거동이 전통적인 포논 산산각산이 아닌, 포논과 파라마그논 간의 비대칭 결합에 의해 설명될 수 있는가?

주요 결과

• EuTiO₃는 저항도 및 열전력 데이터의 Arrhenius 분석을 통해 약 ~0.22 eV의 좁은 고유 밴드 갭을 가지며, ab initio 예측과 일치함.
• EuTiO₃의 열전도도는 극도로 저하되며, 비정질 실리카와 유사한 단조로운 온도 의존성을 보이며, 유리와 유사한 거동을 나타냄.
• 열전도도 저하는 네일 온도(5.5 K) 이상에서도 발생하며, 자기적 엔트로피가 포화된 상태에서도 지속되므로, 파라자기 4f 스핀만으로도 포논을 산산각산하는 데 충분함.
• 포논 산산각산의 주요 원인은 유로늄 이온의 큰 자화 모멘트(6.9–7 μB)의 무작위 정렬로, 이는 스핀-격자 결합을 통해 포논의 공명성을 파괴함.
• 20 K 이하의 온도에서 포논 평균 자유로움이 10 nm 이하로 감소하며, q_s ℓ_ph ≈ 1이 되어 스핀 불규칙성에 의한 앤더슨 유사 국소화의 시작을 시사함.
• 관측된 열전도도 저하는 자기적 불안정성 때문이 아니라 비대칭 포논-파라마그논 결합에 기인하며, 스핀 액체 시스템과는 다름.