[论文解读] Anisotropic magnetic property of single crystals $R$V$_6$Sn$_6$ ($R$ = Y, Gd - Tm, Lu)

Jeong Hun Lee, Eundeok Mun|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2022

Rare-earth and actinide compounds被引用 8

一句话总结

本研究通过Sn-助熔法合成的单晶R V6Sn6（R = Y, Gd–Tm, Lu）研究其各向异性磁性。结果揭示了强晶体电场（CEF）诱导的磁各向异性，其中Tb–Ho的易磁化轴为c轴，Er–Tm为ab平面；Gd–Ho在4.9 K以下呈现反铁磁有序，而Er和Tm在1.8 K以下无长程磁有序，V离子为非磁性，磁性行为完全由稀土离子的局域4f自旋主导。

ABSTRACT

$R$V${_6}$Sn${_6}$ ($R$ = Y, Gd - Tm, Lu) single crystals are synthesized by Sn-flux method and their physical properties are characterized by magnetization, resistivity, and specific heat measurements. Powder X-ray diffraction patterns of all samples can be well indexed with the hexagonal HfFe$_6$Ge$_6$-type structure, where rare-earth atoms form hexagonal layers and vanadium atoms form Kagome layers. At high temperatures, magnetic susceptibility measurements of moment bearing rare-earths ($R$ = Gd - Tm) follow Curie-Weiss behavior. Effective moments estimated from the polycrystalline average of magnetic susceptibility curves are consistent with the values for free $R^{3+}$ ion. Strong magnetic anisotropy due to crystalline electric field effects is observed for moment bearing rare-earths, except GdV$_6$Sn$_6$. The easy magnetization direction is determined to be $c$-axis for $R$ = Tb - Ho and $ab$-plane for $R$ = Er, and Tm. The vanadium ions in $R$V${_6}$Sn${_6}$ possess no magnetic moment. The compounds for $R$ = Y and Lu exhibit typical characteristics of paramagnetic metals. At low temperatures, the magnetic ordering is confirmed from magnetization, specific heat, and resistivity: the highest $T_{N} = 4.9$~K for GdV$_6$Sn$_6$ and the lowest $T_{N} = 2.3$~K for HoV$_6$Sn$_6$. No magnetic ordering is observed down to 1.8~K for $R$ = Er and Tm. A slight deviation of the magnetic ordering temperature from the de Gennes scaling suggests the dominant Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) exchange interaction between rare-earth moments in metallic $R$V${_6}$Sn${_6}$ compounds.

研究动机与目标

• 研究单晶R V6Sn6（R = Y, Gd–Tm, Lu）化合物中的磁各向异性和有序行为。
• 确定晶体电场（CEF）效应在这些金属间化合物中对稀土4f自旋的影响。
• 澄清R V6Sn6中是否发生磁有序，并确定磁基态的性质。
• 确认R V6Sn6中钒离子为非磁性，从而将磁响应完全归因于稀土4f电子。
• 探讨RKKY相互作用与非磁性V原子构成的二维kagome晶格中的几何阻挫之间的相互作用。

提出的方法

• 采用R:V:Sn摩尔比为1:6:62的Sn助熔法，以1.25 °C/h的冷却速率从1225 °C缓慢冷却至850 °C，生长出R V6Sn6单晶。
• 粉末X射线衍射（XRD）证实其具有HfFe6Ge6型六方结构，R原子位于六方层，V原子位于kagome层。
• 在1.8 K至300 K范围内，施加最高达70 kOe的磁场，测量了直流磁化率、电阻率和比热。
• 通过测量磁化率随温度和外场方向（c轴与ab平面）的变化，确定磁各向异性。
• 从多晶平均磁化率数据中提取有效磁矩和居里-外斯行为。
• 通过积分Cm/T进行熵分析，推断CEF能级的基态简并度。

实验结果

研究问题

• RQ1 R V6Sn6（R = Y, Gd–Tm, Lu）单晶的晶体结构和磁各向异性如何？
• RQ2 晶体电场效应如何影响磁有序行为和磁化易轴？
• RQ3 反铁磁转变发生在什么温度？哪些稀土化合物在1.8 K以下发生有序？
• RQ4 为什么GdV6Sn6在TN处的磁熵低于预期的Rln(8)值？
• RQ5 RKKY相互作用与几何阻挫在这些kagome基体系的磁基态中起多大作用？

主要发现

• 所有R V6Sn6化合物均结晶为HfFe6Ge6型六方结构，V形成孤立的kagome层，R形成三角层。
• 磁各向异性强烈受CEF效应影响：Tb–Ho的易磁化方向为c轴，Er和Tm为ab平面。
• 在TN = 4.9 K时观察到GdV6Sn6的反铁磁有序，在TN = 2.3 K时观察到HoV6Sn6的反铁磁有序，而ErV6Sn6和TmV6Sn6在1.8 K以下无长程磁有序。
• 居里-外斯拟合得到的有效磁矩与自由R3+离子值一致，证实了局域4f自旋。
• 比热和熵分析表明，TbV6Sn6的基态为伪双态（S_m ≈ Rln(2)），DyV6Sn6为Kramers双态，HoV6Sn6可能为三重态或伪三重态（S_m > Rln(3)）。
• GdV6Sn6中磁熵的降低（TN处仅恢复约50%的Rln(8)）表明可能存在磁性位点无序或非共线自旋结构，尽管磁矩大小与预期一致。