Влияние высокого давления на кристаллическую и магнитную структуру манганита

Pr0.7Sr0.3MnO3

Н.Т. Данг1),2), Д.П. Козленко1), L.S.Dubrovinsky1), С.Е. Кичанов1), Е.В.Лукин1), Б.Н. Савенко1)

1) Объединенный институт ядерных исследований, 141980, Дубна, Россия2) Тульский государственный университет, 300600, Тула, Россия3)Bayerisches Geoinstitute, University Bayreuth, D-95440 Bayreuth, Germany

Перовскитоподобные манганиты A1-xBxMnO3

J.M.De Teresa et al., Phys. Rev. B 54, 1187 (1996).

Перовскитоподобные манганиты проявляют большое разнообразие физических свойств в зависимости от типа A, B - элементов и степени легирования х. Сильная корреляция магнитных, электронных и транспортных свойств манганитов приводит к их высокой чувствительности к внешним воздействиям – изменению температуры, приложению магнитных полей и высокого давления.

La0.67Ca0.33MnO3 при магнитных полях La0.67Ca0.33MnO3 при давлениях

Магнитные свойств манганитов

Магнитные свойства манганитов Pr1-xSrxMnO3 определяются балансом двух конкурирующих взаимодействий – двойного обмена, связанного с выигрышем в кинетической энергии за счет переноса делокализованных электронов в цепочках и способствующего ферромагнитному (ФМ) упорядочению магнитных моментов Mn, и антиферромагнитного (АФМ) сверхобмена между магнитными моментами Mn, сформированными локализованными электронами.

ФМ и АФМ взаимодействия зависят от межатомных расстояний Mn-O и валентных углов Mn-O- Mn.

Воздействие высокого давления является прямым методом контролируемого изменения магнитных взаимодействий за счет вариации межатомных расстояний и углов.

Структурные исследования при высоких давлениях дают уникальную возможность изучения взаимосвязи изменений структурных параметров кристалла, межатомных расстояний и углов с изменениями магнитной структуры и макроскопических свойств (магнитных и транспортных), что необходимо для понимания природы и механизмов физических явлений, наблюдаемых в манганитах.

Анализ дифракционных данных производился методом Ритвельда с помощью программ MRIA (кристаллическая структура) и FullProf (магнитная структура).

Цель работы: исследование влияния высокого давления на кристаллическую, магнитную структуру и рамановский спектр манганита Pr0.7Sr0.3MnO3 методам рентгеновской и нейтронной дифракции и Рамановспектрокопии

Экспериментальные установки: Эксперименты по нейтронной дифракций проводились с помощью спектрометра ДН-12 импульсного высокопоточного реактора ИБР-2 (ЛНФ им. И.М. Франка, ОИЯИ, Дубна) с использованием камер высокого давления с сапфировыми наковальнями в диапазоне температур 10 – 295 К и внешних высоких давлений до 5 ГПа. Эксперименты по рентгеновской дифракций в диапазоне давлений до 28 ГПа при комнатной температуре проводились с помощью специального дифрактометра, состоящего из высокопоточного генератора рентгеновского излучения FRD (Mo K - излучение с =0.7115), фокусирующей оптической системы FluxMax и детектора Bruker APEX CCD. Спектры Pамановского рассеяния света измерялись на спектрометре LabRam (NeHe-лазер с длиной волны 632 нм, конфокальная щель 110 мкм и 50 объектив) до 28 ГПа.

1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

0

2500

5000

7500

10000

FM

dhkl

, Å

Inte

nsi

ty (

arb

. un

its)

P = 0 GPa, T = 295 K

P = 0 GPaT = 10 K

dhkl

, Å

AFM

NaCl

NaClP = 4.5 GPaT = 10 K

NaCl

FM3 4 5 6 7 8

NaCl

FМFМ

AFM

P = 0 GPа T = 10 K

AFMP = 4.5 GPa T = 10 K

Спектры нейтронной дифракцией

0 1 2 3 4

1.90

1.92

1.94

1.96

b)

P, GPa

Mn-O2>

Mn-

O, Å

a)

0 1 2 3 4

161

162

163

164

Mn-O1

Mn-O-Mn>

Mn-

O-M

n> ,

0

bP

M n

O 1

O 2O 2

c a

bP

M n

O 1

O 2O 2

c a

Ideal Cubic:

lMn-O1/lMn-O2 = 1

Ed(z2)

Ed(x2-y2)

Ed(z2)

Ed(x2-y2)

X

Z

X

Y

Структура АФМ А-типа при высоких давлениях

Орбитальное упорядочение АФМ А-типа

Z.Fang, V.I.Solovyev, and K.Terakura, Phys. Rev. Lett. 84 3169 (2000)

Анизатропное. Сжатиевдоль оси b:

lMn-O1/lMn-O2 < 1

При повышении давлении происходит увеличение объемной доли АФМ фазы А-типа, что свидетельствует о усилении АФМ сверхобмена. Установлена ТN =152(4)K при Р=4.5 ГПа.

0 50 100 150

0.5

1.0

1.5

2.0

P = 4.5 ГПа Pr0.7Sr0.3MnO3

АФМ А-типа

АФ

М

B

T, K

АФМ 1 NA T T

Температура фазового перехода в ФМ состояние линейно увеличивает с барическим коэффициентом dTc./dP ≈2.2 K/ГПа

0 0

3

1S

FM FM

C

S TB

S T

0 100 200 300

1

2

3

4

Р, GPa

P = 4.5 GPa

P = 0 GPa

P = 1.9 GPa

T, K

FМ

B

TC,

K0 1 2 3 4

272

276

280

284

В рамках модели двойного обмена температура фазового перехода в ФМ фазу пропорциональна величиной ширины зоны носителей заряда W: TC~W 2 3.5

0 cos /W W l

Mn-O Mn-O-M Mn-O-Mn(1 / )( / ) 3.5 2( ). tan( ).C C nT dT dP k k

где kMn-O– среднее значение сжимаемости длин связей , φMn-O-Mn– среднее

значение угла и его сжимаемость

Mn-O-M 0 Mn-O-M(1/ )( / )n n Tk d dP

Рассчитанное на основе полученных барических зависимостей структурных параметров значение dTc/dP=3 K/ГПа близко к экспериментальному dTc/dP=2.2 K/ГПа.

10 12 14 16 18 20 22

0

10000

20000

30000Pr0.7Sr0.3MnO3

2 deg

Inte

nsi

ty, arb

. units Au

Au Re

0 GPa

1.9 GPa

6.2 GPa

(210)(202)/(040)

(220)/(022)

(002)/(200)/ (121)

(111)(101)/(020)

9.4 GPa

Re

bp

10.4 11.2 12.0

6.2 GPa

0 GPa

Imma

(111)Pnma

Спектры рентгеновской дифракцией при высоких давлениях

0 5 10 15 20 25 30

5.2

5.3

5.4

5.5

Ptr

V, Å

3

P, GPa

La

ttic

e p

ara

me

ters

, Å

P, GPa

c

a

2/b

a

0 5 10 15 20 25 30205

210

215

220

225

230

235

Ptr

b

4

3

7 5 2

3 3 3

0 10 0 0

3 31 4 1

2 4

V V VP V B B

V V V

Уравнение состояния Birch–Murnaghan:

0 1 0( / ) ( / )T TB V dP dV B dB dP где

B0=120(4) ГПа Pnma

B0=170(4) ГПа Imma

Рамановские спектры манганита при различных давлениях при комнатной температуре

400 6000

500

1000

1500

Bg

3.0 GPa

7.4GPa

12.4GPa

Inte

nsi

ty,

arb

. u

nit

s

20.9 GPa

a

Ag

0 5 10 15 20 25

435

450

465

480

495

510

Ag

b

Raman shift, cm-1

Ram

an f

req

uen

cies

, cm-1

P, GPa

Заключение

Результаты настоящей работы показывают, что :

1. При давлении P 7 ГПа наблюдается структурный фазовый переход из орторомбической фазы с пространственной группой Pnma в орторомбическую фазу высокого давления с симметрией Imma.

2. При воздействии внешнего высокого давления в манганите происходит изменение магнитного состояния с ферромагнитного на антиферромагнитное А-типа. ФМ и АФМ фазы сосуществуют друг с другом в исследуемом диапазоне давлений. С повышением давления происходит постепенное уменьшение объема ФМ фазы и увеличение объема АФМ фазы.

3. Увеличение температуры Кюри для ФМ фазы, наблюдаемое в эксперименте, может быть объяснено в рамках модели двойного обмена.