[논문 리뷰] Long-range magnetic ordering in rocksalt-type high-entropy oxides

Marco Polo Jimenez-Segura, T. Takayama외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 05.

High Entropy Alloys Studies인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 고도로 불규칙한 계면체 구조를 가진 고엔트로피 산화물, 특히 (MgCoNiCuZn)O에서 장거리 자성 정렬이 발생함을 보여준다. 자화도 및 중성자 회절을 통해 저온에서 120 K의 전이 온도를 확인하였으며, 이는 매우 불규칙한 시스템에서도 자성 정렬이 발생할 수 있음을 시사한다. 자성 기저 상태는 자성 이온의 화학적 치환을 통해 안티페로자성 정렬과 스핀거니 상태 사이에서 조절 가능하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고도로 구성이 불규칙한 계면체 구조를 가진 고엔트로피 산화물(HEOx)의 자성 특성을 조사하기 위해.
• 기대와는 반대로 스핀거니 행동을 보일 것으로 예상되는 이러한 불규칙한 시스템에서도 장거리 자성 정렬이 유지될 수 있는지 확인하기 위해.
• 자성 이온 농도의 변화와 치환의 영향이 자성 기저 상태에 미치는 영향을 탐구하기 위해.
• 엔트로피 안정화 산화물의 자성 功能을 조절하기 위한 프레임워크를 수립하기 위해.

제안 방법

• 이원 산화물 및 탄산염의 고체상 반응을 통해 계면체 구조를 가진 HEOx를 합성하고, 고온에서 소성 처리한 후 급속 냉각을 실시하였다.
• 단일 상 계면체 구조(Fm3̄m)의 확인 및 격자 상수 결정을 위해 X선 회절을 수행하였다.
• 상전이 탐지 및 효과적 궤도모멘트와 위스 온도 추출을 위해 자화도 측정(ZFC/FC)을 실시하였다.
• 100 Hz에서 8 kHz의 주파수 범위에서 AC 자화도 측정을 통해 동적 거동을 분석하고 스핀거니 유사한 정렬 전이를 탐지하였다.
• 장거리 자성 정렬을 확인하고, 프로토타입 (MgCoNiCuZn)O에서 국소적 정렬이나 스핀거니 특성을 배제하기 위해 중성자 회절을 수행하였다.
• 자성 이온 농도와 산화 상태를 조절하기 위해 이량자 이온을 Li/Ga 또는 Fe로 치환하는 방식으로 이온 조성의 체계적 변화를 시도하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 이온 불규칙성을 가진 계면체 구조 고엔트로피 산화물에서 장거리 자성 정렬이 발생할 수 있는가?
• RQ2 Co²⁺, Ni²⁺, Cu²⁺ 등의 자성 이온 농도가 이러한 불규칙한 산화물의 자성 기저 상태에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 (MgCoNiCuZn)O의 자성 전이 특성은 무엇이며, 이는 이산화물 계면체 산화물과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 화학적 치환을 통해 HEOx의 자성 특성을 조절할 수 있으며, 그로 인해 발생하는 자성 상은 무엇인가?
• RQ5 Fe³⁺ 등의 이온 산화 상태 변화가 자성 상호작용 경로와 기저 상태에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 프로토타입 고엔트로피 산화물 (MgCoNiCuZn)O는 120 K 이하에서 장거리 안티페로자성 정렬을 보이며, 중성자 회절과 명확한 자화도 쿠스(cusp)로 확인되었다.
• 120 K의 자성 전이 온도(Tmag)는 이산화물에 비해 상당히 감소하였으며, 이는 불규칙한 격자 내에서 자성 이온의 희석화 때문으로 기인된다.
• 자성 기저 상태는 조절 가능하다: Co, Ni, Cu 세 개의 자성 이온을 포함한 화합물은 장거리 안티페로자성 정렬을 보이며, 자성 이온 수가 적은 경우(예: MgNiCuZn)는 10–60 K에서 스핀거니 유사 정렬을 보인다.
• AC 자화도 측정에서 저자성 이온 시스템에서는 Tmag에서 주파수 의존성 쿠스를 보이며, 스핀거니 행동과 유사한 거친 동역학을 나타낸다.
• (MgCoNiCuZn)O의 효과적 자기모멘트(μeff)는 2.95 μB/f.u.로, 계산된 값 2.66 μB/f.u.과 유사하여 국소화된 자기모멘트 존재를 지지한다.
• Fe³⁺ 치환((MgCoNiCuZn)₀.₈(LiFe)₀.₂O)에 의해 Tmag는 약 100 K로 감소하였고, 주파수 의존성이 약하게 나타나, 장거리 정렬과 거니 상태 사이의 복잡한 자성 상태일 가능성이 있다.