[论文解读] Magnetic structure and charge ordering in Fe3BO5 ludwigite

P. Bordet, E. Suard|ArXiv.org|Mar 28, 2009

High-pressure geophysics and materials被引用 48

一句话总结

本研究通过单晶X射线衍射和中子粉末衍射，探究了Fe3BO5 ludwigite中的电荷有序态与磁性有序态。结果揭示，在约283 K附近发生渐进式电荷有序转变，电子局域在Fe2/Fe4横档上，形成之字形排列；随后发生两个磁性转变：112 K时Fe2/Fe4链发生反铁磁有序化，70 K时Fe1/Fe3链发生铁磁有序化，最终在10 K时每个晶胞净磁矩约为~19 μB。

ABSTRACT

The crystal and magnetic structures of the three-leg ladder compound Fe3BO5 have been investigated by single crystal x-ray diffraction and neutron powder diffraction. Fe3BO5 contains two types of three-leg spin ladders. It shows a charge ordering transition at 283 K, an antiferromagnetic transition at 112 K, ferromagnetism below 70 K and a weak ferromagnetic behavior below 40K. The x-ray data reveal a smooth charge ordering and an incomplete charge localization down to 110K. Below the first magnetic transition, the first type of ladders orders as ferromagnetically coupled antiferromagnetic chains, while below 70K the second type of ladders orders as antiferromagnetically coupled ferromagnetic chains.

研究动机与目标

• 确定Fe3BO5 ludwigite在宽温度范围（300 K至10 K）内电荷与磁性有序态的演化过程。
• 阐明约283 K附近电荷有序转变的本质及其结构与电子效应。
• 澄清磁性结构的演化过程，特别是112 K与70 K处的两个连续转变。
• 确定观测到的净磁矩来源及其在40 K以下被抑制的原因。
• 理解两种三腿自旋梯结构差异在决定磁交换作用中的作用。

提出的方法

• 在320 K至110 K温度范围内，对Fe3BO5单晶进行单晶X射线衍射实验。
• 利用中子粉末衍射（NPD）探测10 K至112 K温度范围内的磁性结构。
• 使用Jana2000软件精修结构与磁性数据，分别采用空间群Pbam（高温相）和Pbnm（低温相）。
• 通过分析超结构衍射峰，检测电荷有序态，发现低于290 K时c轴参数加倍。
• 采用Rietveld精修方法处理NPD数据，以确定磁矩大小与有序排列方式。
• 将结构畸变与电子行为相关联，特别是Fe2/Fe4横档上的电子局域化。

实验结果

研究问题

• RQ1 Fe3BO5 ludwigite中的电荷有序转变的性质及其温度范围是什么？
• RQ2 在112 K与70 K的转变过程中，磁性结构如何演化？每类三腿自旋梯中的磁性排列方式如何？
• RQ3 导致低温下观测到的约19 μB/晶胞净磁矩的原因是什么？
• RQ4 为何在40 K以下铁磁分量消失，而NPD衍射图谱中未检测到明显变化？
• RQ5 两种自旋梯中Fe-O-Fe连接方式（共边与共角）的差异如何影响磁交换作用？

主要发现

• Fe3BO5中的电荷有序态在200 K至300 K的宽温度范围内渐进发生，电子局域在Fe2与Fe4阳离子上，沿自旋梯轴方向形成之字形排列。
• 该电荷有序转变与c轴参数的结构加倍相关，由X射线衍射中的超结构衍射峰证实。
• 在112 K时发生首次磁性转变，导致自旋梯I（Fe2/Fe4）中形成自旋反铁磁耦合的铁磁链，Fe2磁矩略有增加。
• 在70 K时发生第二次磁性转变，自旋梯II（Fe1/Fe3）中形成自旋反铁磁耦合的铁磁链，导致在10 K时每个晶胞净磁矩约为~19 μB。
• 在10 K时，Fe1与Fe3磁矩分别为3.3 μB与3.9 μB，与Fe2+高自旋S=2状态一致；而Fe2/Fe4磁矩仍较低（约2.3 μB），表明磁性与电子有序未完全形成。
• 在40 K附近NPD衍射图谱无明显变化，表明低于此温度时铁磁性的消失并非由结构或磁对称性变化引起，而可能是由于电子或轨道结构的细微重排。