[논문 리뷰] Magnetocaloric effect and Magnetothermopower in the room temperature ferromagnet Pr0.6Sr0.4MnO3

D. V. Maheshwar Repaka, T. S. Tripathi외 2명|arXiv (Cornell University)|2012. 10. 18.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 실온에서의 페로자성 전이 온도 T_C = 305 K를 가지는 다결정성 Pr0.6Sr0.4MnO3에서의 자기열효과(MCE)와 자기열전력(MTEP)을 조사한다. T_S = 86 K에서 일어나는 일阶 구조 전이로 인해 자화 에너지 변화에서 음성에서 양성으로의 전환이 발생하고, 열전력에서 쐐기형상이 나타나며, T_C 근처에서 ΔH = 3 T일 때 MTEP은 25%에 도달한다. 이는 15%의 직류 자기저항보다 뚜렷하게 높으며, 자성과 전도성 간의 강한 결합을 시사한다.

ABSTRACT

We have investigated magnetization(M), magnetocaloric effect(MCE) and magnetothermopower(MTEP) in polycrystalline Pr0.6Sr0.4MnO3, which shows a second-order paramagnetic to ferromagnetic transition near room temperature (TC = 305 K). However, field-cooled M(T) within the long range ferromagnetic state shows an abrupt decrease at TS = 86 K for H < 3 T. The low temperature transition is first-order in nature as suggested by the hysteresis in M(T) and exothermic/endothermic peaks in differential thermal analysis for cooling and warming cycles. The anomaly at TS is attributed to a structural transition from orthorhombic to monoclinic phase. The magnetic entropy change is negative at TC but changes to positive at TS. Thermopower (Q) is negative from 350 K to 20 K, shows a rapid decrease at TC and a small cusp around TS in zero field. The MTEP reaches a maximum value of 25% for deltaH = 3 T around TC which is much higher than 15% dc magnetoresistance for the same field change. A linear relation between MTEP and magnetoresistance, and between delta Sm and Delta Q are found near TC. Further, ac magnetotransport in low dc magnetic fields (H less than or equal to 1 kOe), critical analysis of the paramagnetic to ferromagnetic transition and scaling behavior of the magnetic entropy change versus a reduced temperature under different magnetic fields are also reported.

연구 동기 및 목표

• 실온 근처에서의 전이 온도를 가지는 희토류 망간산염인 Pr0.6Sr0.4MnO3에서 자기열효과와 자기열전력을 이해하기 위해.
• 86 K에서 관찰되는 저온 이질성의 기원을 규명하고 특성화하기 위해.
• 자기열전력, 자기저항 및 자화 에너지 변화 간의 관계를 페로자성 전이 근처에서 탐색하기 위해.
• 다양한 자장 하에서 T_C 근처의 자화 에너지 변화와 임계 현상의 스케일링 행동을 분석하기 위해.

제안 방법

• 다결정성 Pr0.6Sr0.4MnO3 시료를 합성하고, 영자장 및 외부 자장 하에서 자화 측정을 통해 특성화하였다.
• 자화의 온도 및 자장 의존성으로부터 맥스웰 관계를 이용해 자화 에너지 변화(ΔS_m)를 계산하였다.
• 자기장 변화에 대한 전도성 반응을 조사하기 위해 온도 및 자장 의존성으로 자기열전력(MTEP)과 열전력(Q)을 측정하였다.
• 86 K에서의 전이의 일阶 성격을 확인하기 위해 열분석(비열 분석, DTA)을 수행하였다.
• 감소된 온도에 대한 ΔS_m의 스케일링 분석을 통해 임계 지수를 추출하고, 보편성 클래스를 확인하였다.
• T_C 근처의 동적 반응과 임계 행동을 연구하기 위해 저직류 자장(≤1 kOe)에서 교류 자기전도 측정을 실시하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3 T 이하에서 Pr0.6Sr0.4MnO3에서 86 K에서의 자화 급격한 감소는 무엇에 기인하며, 이는 상전이와 관련이 있는가?
• RQ2 T_C = 305 K와 T_S = 86 K 전이를 통과할 때 자화 에너지 변화는 어떻게 변화하며, 부호 전환은 무엇을 의미하는가?
• RQ3 T_C 근처에서 자기열전력(MTEP)의 크기와 자장 의존성은 어떠한가? 기존의 자기저항과 비교해보면 어떻게 되는가?
• RQ4 T_C 근처에서 MTEP, 자기저항 및 자화 에너지 변화 간에 정량적 관계가 존재하는가?
• RQ5 ΔS_m의 임계 지수와 스케일링 행동은 자성에서 페로자성으로의 전이에 대한 보편성 클래스를 어떻게 반영하는가?

주요 결과

• T_S = 86 K에서 오르토로브릭 구조에서 모노클리닉 구조로의 일阶 구조 전이가 발생하며, M(T)에서 히스테리시스와 DTA에서의 내열/외열 피크로 확인되었다.
• 자화 에너지 변화(ΔS_m)는 T_C = 305 K에서 음성이나, T_S = 86 K에서 양성으로 전환되며, 이는 자성과 격자 기여 간의 경쟁을 시사한다.
• 자기열전력(MTEP)은 T_C 근처에서 ΔH = 3 T일 때 최대 25%에 도달하며, 동일한 자장 변화에서 15%의 직류 자기저항보다 뚜렷하게 높다.
• T_C 근처에서 MTEP와 자기저항 사이, 그리고 ΔS_m와 ΔQ(열전력 변화) 사이에 선형 상관관계가 관찰되어 열전기적 반응과 자성 반응 간의 강한 결합을 시사한다.
• 감소된 온도에 대한 ΔS_m의 스케일링 분석은 T_C 전이의 이阶 성격을 확인하고, 3D-Ising 보편성 클래스를 지지한다.
• 저자장(≤1 kOe)에서의 교류 자기전도 측정 결과, T_C에서의 이阶 전이와 일치하는 임계 행동이 관찰되었으며, 국소 순서나 스핀 거품 특성의 증거는 발견되지 않았다.