[论文解读] Long-range magnetic ordering in rocksalt-type high-entropy oxides

Marco Polo Jimenez-Segura, T. Takayama+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2019

High Entropy Alloys Studies被引用 4

一句话总结

本研究在反尖晶石型高熵氧化物中证实了长程磁序的存在，特别是 (MgCoNiCuZn)O，尽管存在显著的阳离子无序。通过磁化率和中子衍射分析，作者确定了120 K的转变温度，表明磁序可在高度无序的体系中形成，且磁基态可通过化学取代在反铁磁序与自旋玻璃行为之间进行调控。

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.

研究动机与目标

• 研究具有高构型无序性的反尖晶石型高熵氧化物（HEOx）的磁性。
• 确定在预期表现为自旋玻璃行为的此类高度无序体系中，长程磁序是否仍能持续存在。
• 探讨磁性离子含量及取代对磁基态的影响。
• 建立用于调控熵稳定氧化物中磁功能性的框架，以期实现潜在应用。

提出的方法

• 通过二元氧化物和碳酸盐的固相反应合成一系列反尖晶石结构的HEOx，随后进行高温退火和快速淬火。
• 采用X射线衍射确认单相反尖晶石结构（Fm3̄m）及晶格参数的测定。
• 通过磁化率测量（ZFC/FC）检测相变，并采用居里-外斯分析提取有效磁矩和外斯温度。
• 在100 Hz至8 kHz的频率范围内进行交流磁化率测量，以探测动力学行为并识别类似自旋玻璃的冻结转变。
• 利用中子衍射确认长程磁序，并排除原型 (MgCoNiCuZn)O 中短程序或自旋玻璃特征的可能性。
• 系统性地改变阳离子组成，包括用Li/Ga或Fe取代二价离子，以调控磁性离子浓度和价态。

实验结果

研究问题

• RQ1 在强阳离子无序的反尖晶石型高熵氧化物中，长程磁序是否能够出现？
• RQ2 Co²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺等磁性离子的浓度如何影响这些无序氧化物中的磁基态？
• RQ3 (MgCoNiCuZn)O中的磁性转变性质是什么？与二元反尖晶石氧化物相比有何差异？
• RQ4 能否通过化学取代调控HEOx中的磁性，其结果磁相为何？
• RQ5 阳离子价态变化（如Fe³⁺）在调控磁交换路径和基态方面起到何种作用？

主要发现

• 原型高熵氧化物 (MgCoNiCuZn)O 在120 K以下表现出长程反铁磁序，该结果通过中子衍射得到证实，并在磁化率中观察到明显的尖峰。
• 与二元氧化物相比，该体系的磁性转变温度（Tmag）显著降低，归因于磁性离子在无序晶格中的稀释效应。
• 磁基态可被调控：含三种磁性离子（Co、Ni、Cu）的化合物表现出长程反铁磁序，而磁性离子较少的体系（如MgNiCuZn）则在10–60 K表现出类似自旋玻璃的冻结行为。
• 交流磁化率测量显示，在低磁性离子体系中，Tmag处出现频率依赖的尖峰，表明存在具有玻璃态动力学的自旋玻璃行为。
• (MgCoNiCuZn)O 的有效磁矩（μeff）为2.95 μB/f.u.，接近计算值2.66 μB/f.u.，支持局域磁矩的存在。
• Fe³⁺掺杂（(MgCoNiCuZn)₀.₈(LiFe)₀.₂O）使Tmag降至约100 K，且频率依赖性微弱，表明形成了一种可能介于长程有序与玻璃态之间的复杂磁性状态。