[论文解读] Evolution of Structural and Physical Properties of Sr3(Ru1-xMnx)2O7 with Mn Concentration

Biao Hu, Gregory T. McCandless+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2011

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用 5

一句话总结

本研究调查了0 ≤ x ≤ 0.7范围内Mn掺杂的Sr3(Ru1-xMnx)2O7单晶，发现Mn掺杂会减小晶胞体积，并在x > 0.16时抑制(Ru/Mn)O6八面体的旋转，导致相图复杂，呈现五个不同的区域。关键发现是金属-绝缘体转变温度（TMIT）随掺杂浓度单调上升，而磁性转变温度（TM）表现出非单调行为，表明在x > 0.16时存在铁磁与反铁磁相互作用的竞争。

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.

研究动机与目标

• 理解Mn掺杂如何改变双钙钛矿Sr3(Ru1-xMnx)2O7的结构、电子与磁性性质。
• 确定结构畸变（特别是(Ru/Mn)O6八面体旋转与Jahn-Teller畸变）在驱动电子相变中的作用。
• 利用多种实验手段绘制0 ≤ x ≤ 0.7范围内Sr3(Ru1-xMnx)2O7的完整相图。
• 澄清金属-绝缘体转变温度（TMIT）与磁性转变温度（TM）之间差异的根源。
• 研究Mn在固溶体中的磁矩与氧化态的演化行为。

提出的方法

• 采用图像熔炉中的浮区法生长了Sr3(Ru1-xMnx)2O7（0 ≤ x ≤ 0.7）单晶。
• 利用单晶X射线衍射（XRD）精修晶格参数、晶胞体积与键长，以确定八面体旋转角与Jahn-Teller畸变。
• 使用Quantum Design PPMS测量电阻率与比热，以识别TMIT与比热异常。
• 利用SQUID磁强计测量磁化率，以确定TM并评估磁相关性。
• 采用X射线吸收谱（XAS）与X射线光电子能谱（XPS）确认Mn的氧化态，并排除Ru存在多种价态的可能性。
• 以TMIT与TM为边界构建相图，根据磁序、金属性与关联强度对区域进行分类。

实验结果

研究问题

• RQ1 Mn掺杂如何影响Sr3(Ru1-xMnx)2O7中的结构畸变，特别是(Ru/Mn)O6八面体旋转与Jahn-Teller畸变？
• RQ2 TMIT与TM之间存在何种关系？为何TMIT随x单调上升，而TM表现出非单调行为？
• RQ3 为何在x > 0.16时长程反铁磁（AFM）序消失，而在此区域中何种磁相关性仍持续存在？
• RQ4 Sr3(Ru1-xMnx)2O7中Mn的氧化态为何？其如何影响磁矩与电子性质？
• RQ5 结构、电子与磁性自由度之间的相互作用如何导致x-T相图中五个不同相的形成？

主要发现

• 由于Mn的离子半径小于Ru，随着Mn浓度x的增加，晶胞体积与c/a比单调减小。
• (Ru/Mn)O6八面体的旋转角随x增加而减小，当x > 0.16时已无法检测，表明结构畸变的消失。
• Jahn-Teller畸变（ΔJT）从x = 0时的1.04降低至x = 0.7时的1.00，证实Mn掺杂减少了八面体畸变。
• TMIT随x单调上升，表明在高掺杂水平下电子局域化或杂质散射效应增强。
• TM对x表现出非单调依赖性，在x ≈ 0.06–0.08处达到峰值，表明铁磁与反铁磁相互作用之间存在竞争。
• 当x > 0.16时，系统进入一个区域（第五区），具有短程磁相关性与绝缘行为，但无长程磁序，表明由于结构畸变的消失，AFM序被抑制。