鏈狀自旋鐵電體系結(jié)構(gòu)研究取得新進(jìn)展

 

　　【圖文導(dǎo)讀】

 

　　圖1 鏈狀自旋體系Ca3Co2-xMnxO6隨溫度變化的XRD譜和Raman譜

 

　　

 

 

 

　　圖2 Ca3Co2-xMnxO6中晶格的結(jié)構(gòu)的Jahn-Teller畸變和Raman振動(dòng)模式的改變

 

　　

 

 

 

　　【研究?jī)?nèi)容】

 

　　由于在電磁、自旋電子學(xué)、磁存儲(chǔ)等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值，多鐵材料引起了廣泛的關(guān)注。Ca3Co2-xMnxO6(x ≈ 1)是一個(gè)典型的磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)鐵電體系。它的結(jié)構(gòu)是由沿著c方向的CoO6三棱鏡結(jié)構(gòu)和MnO6八面體交替共面而形成的一維自旋鏈，Co2+和Mn2+都處于高自旋態(tài)。由于很強(qiáng)的鏈內(nèi)耦合作用和類伊辛各向異性作用，這一體系可以用一維伊辛模型來(lái)描述。在鏈內(nèi)，由于近鄰的鐵磁耦合和次近鄰的反鐵磁耦合的競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致自旋呈現(xiàn)“向上-向上-向下-向下”的反鐵磁結(jié)構(gòu)。交替的Co2+和Mn2+離子形成磁有序結(jié)構(gòu)打破反演對(duì)稱性，從而在16.5K誘導(dǎo)沿著c方向的電極化。當(dāng)沿著c方向施加磁場(chǎng)，電極化被破壞。一種可能的解釋是由于“向上-向上-向下-向下”的自旋有序結(jié)構(gòu)改變?yōu)?ldquo;向上-向上-向上-向下”的自旋構(gòu)型，從而破壞了電極化。而另一種在10T下抑制電極化的機(jī)制則認(rèn)為是磁場(chǎng)導(dǎo)致Mn2+離子的自旋反轉(zhuǎn)到ab面內(nèi)所導(dǎo)致。此外，輕微的破壞Co/Mn離子有序，會(huì)大大增強(qiáng)體系的鐵電性。實(shí)驗(yàn)證明，在這一體系中，離子有序和自旋阻挫對(duì)增強(qiáng)鐵電性質(zhì)具有重要的作用。因此，對(duì)偏離x=1的Ca3Co2-xMnxO6的電磁性質(zhì)研究，對(duì)增強(qiáng)該體系的鐵電性質(zhì)具有重要意義。

 

　　在本工作中，研究人員發(fā)現(xiàn)，和母體Ca3CoMnO6相比，沿著自旋鏈的方向(即c方向)，電極化的量級(jí)和轉(zhuǎn)變溫度都提高了數(shù)倍。此外，當(dāng)磁場(chǎng)垂直于鏈時(shí)探測(cè)到了電極化。這是在Ca3Co2-xMnxO6體系中第一次從實(shí)驗(yàn)上探測(cè)到垂直于c方向的電極化。通過(guò)低溫XRD，對(duì)其低溫的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)研究，發(fā)現(xiàn)Co2+O6三棱鏡結(jié)構(gòu)發(fā)生了Jahn-Teller畸變。對(duì)于x=1的母體樣品，其晶胞在兩個(gè)方向的變化是相等的，而對(duì)于x=0.75和0.25的樣品，在各個(gè)方向上發(fā)生了不對(duì)稱的變化。通過(guò)低溫Raman光譜，研究人員對(duì)聲子的振動(dòng)模式進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)Jahn-Teller畸變破壞了Co2+O6三棱鏡結(jié)構(gòu)的C3對(duì)稱性，從而導(dǎo)致了沿著和垂直c軸方向的電極化。通過(guò)結(jié)構(gòu)和聲子模式的研究表明，Ca3Co2-xMnxO6中鐵電性的形成的原因可能和晶格的Jahn-Teller畸變有關(guān)