Wpływ domieszkowania strontem na ciepło właściwe i diagram
advertisement
Wpływ domieszkowania strontem na ciepło wlaściwe i diagram fazowy La1-xSrxMnO3 A. Szewczyk, Instytut Fizyki PAN, Warszawa • M. Gutowska, Instytut Fizyki PAN, Warszawa • B. Dąbrowski, Department of Physics, Northern Illinois University, DeKalb, USA La1-xSrxMnO3 - jedna z dwóch najpopularniejszych rodzin manganitów • x < 0.2 ~100 publikacji • • 0.2 < x < ~0.6 ~0.6 < x < 1 ~ 10 publikacji ~ 4 publikacje Badania ciepła właściwego (trudności technologiczne) Diagram fazowy manganitów La1-xSrxMnO3 Dwustopniowa metoda syntetyzowania próbek 1. Otrzymanie jednofazowych próbek z niedoborem tlenu, poprzez wygrzewanie prekursora w Ar w temperaturze do 1400C 2. Wygrzewanie próbek z niedoborem tlenu w powietrzu w 500C Chmaissem et al., Phys. Rev. B 67 (2003) 94431. • Diagram fazowy rodziny La1-xSrxMnO3 – Główne fazy krystalograficzne – Fazy magnetyczne – Problemy wymagające zbadania + wybór próbek • Pomiary ciepła właściwego: – Próbki: x = 1.0, 0.9, 0.7, 0.55, 0.45, 0.0 – B = 0, 7 (1, 9) T; temperatury: 3 K - 393 K; histereza temperaturowa – Metoda relaksacyjna • Przemiany ferromagnetyk – paramagnetyk • Przemiany antyferromagnetyk – paramagnetyk – Próbka x = 0.7 - obniżenie wymiarowości (!) w konfiguracji C • Przemiana antyferromagnetyk – ferromagnetyk (x = 0.55) – Uzupełniające pomiary namagnesowania (struktura domenowa!) – Efekt magnetokaloryczny związany z tą przemianą Fazy krystaliczne La1-xSrxMnO3 • Element bazowy: • C – Pm3m regularna struktura idealnego perowskitu ( 1 x > 0.75) • Element bazowy: • C – Pm3m regularna struktura idealnego perowskitu ( 1 x > 0.75) (1) Współczynnik Goldschmidt’a (tolerance factor) t ABO3 La3+ <r> (nm) 0.136 Sr2+ 0.144 O2- 0.140 (2) Efekt Jahna-Tellera rA rO 2 rB rO Mn3+ <r> (nm) 0.0645 Mn4+ 0.053 Mn3+ Mn4+ • Element bazowy: • C – Pm3m regularna struktura idealnego perowskitu ( 1 x > 0.75) • T – I 4/mcm tetragonalna obrót (a 0 a 0 c ) + wydłużenie MnO6 wzdłuż c ( 0.75 > x > 0.45) • Element bazowy: • C – Pm3m regularna struktura idealnego perowskitu ( 1 x > 0.75) • T – I 4/mcm tetragonalna obrót (a 0 a 0 c ) + wydłużenie MnO6 wzdłuż c ( 0.75 > x > 0.45) • R – R3c romboedryczna obrót (a a a ) ( 0.45 > x > 0.17) • Element bazowy: • C – Pm3m regularna struktura idealnego perowskitu ( 1 x > 0.75) • T – I 4/mcm tetragonalna obrót (a 0 a 0 c ) + wydłużenie MnO6 wzdłuż c ( 0.75 > x > 0.45) • R – R3c romboedryczna obrót (a a a ) ( 0.45 > x > 0.17) • O* ( 0.17> x >0.115) • O’ ( 0.115> x 0) rombowa Pbnm obroty (a b b ) + efekt Jahna-Tellera Cel pracy + próbki • Uzupełnienie i zweryfikowanie diagramu fazowego poprzez pomiar ciepła właściwego (pierwsze badania dla x > 0.4 ): - wyznaczenie temperatur i rodzajów przejść fazowych - anomalie ciepła właściwego - wpływ pola magnetycznego na przemiany i na ciepło właściwe • Grupy przejść fazowych: - para/ferro-magnetyk (x = 0.45, 0.55) Cel pracy + próbki • Uzupełnienie i zweryfikowanie diagramu fazowego poprzez pomiar ciepła właściwego (pierwsze badania dla x > 0.4 ): - wyznaczenie temperatur i rodzajów przejść fazowych - anomalie ciepła właściwego - wpływ pola magnetycznego na przemiany i na ciepło właściwe • Grupy przejść fazowych: - para/ferro-magnetyk (x = 0. 45, 0.55) - para/antyferro-magnetyk typu: G (x =1), G-type 6-anty Cel pracy + próbki • Uzupełnienie i zweryfikowanie diagramu fazowego poprzez pomiar ciepła właściwego (pierwsze badania dla x > 0.4 ): - wyznaczenie temperatur i rodzajów przejść fazowych - anomalie ciepła właściwego - wpływ pola magnetycznego na przemiany i na ciepło właściwe • Grupy przejść fazowych: - para/ferro-magnetyk (x = 0. 45, 0.55) - para/antyferro-magnetyk typu: G (x =1), C (x = 0.9, 0.7), C-type 4 – anti 2 – ferro Cel pracy + próbki • Uzupełnienie i zweryfikowanie diagramu fazowego poprzez pomiar ciepła właściwego (pierwsze badania dla x > 0.4 ): - wyznaczenie temperatur i rodzajów przejść fazowych - anomalie ciepła właściwego - wpływ pola magnetycznego na przemiany i na ciepło właściwe • Grupy przejść fazowych: - para/ferro-magnetyk (x = 0. 45, 0.55) - para/antyferro-magnetyk typu: A-type G (x =1), C (x = 0.9, 0.7), A (x=0) 2 – anti 4 – ferro AyFz - canting Cel pracy + próbki • Uzupełnienie i zweryfikowanie diagramu fazowego poprzez pomiar ciepła właściwego (pierwsze badania dla x > 0.4 ): - wyznaczenie temperatur i rodzajów przejść fazowych - anomalie ciepła właściwego - wpływ pola magnetycznego na przemiany i na ciepło właściwe • Zbadanie przejść fazowych typu: - para/ferro-magnetyk (x = 0. 45, 0.55) - para/antyferro-magnetyk typu: A-type G (x =1), C (x = 0.9, 0.7), A (x=0) 2 – anti - ferro/antyferro-magnetyk (x = 0.55) 4 – ferro Pomiary ciepła właściwego – PPMS – metoda relaksacyjna Próbka Termometer kalorymetru Kalorymeter G Termometer obudowy T Termometer systemu • Pomiary: – od 3 K do 393 K – w B=0 i B=7T (1, 9 T) – podczas grzania i podczas chłodzenia Pomiary ciepła właściwego Cechy anomalii przy przejściu fazowym: • Pierwszego rodzaju: 1. Histereza (różne temperatury pojawiania się przy grzaniu i przy chłodzeniu) 2. Różny kształt (słabsza anomalia podczas chłodzenia) 3. Wąska, przypominająca funkcję δ (o ile przemiana zachodzi od razu w całej objętości) • Drugiego rodzaju: 1. Brak histerezy 2. Brak różnicy kształtu 3. Kształt przypominający literę λ Przejście fazowe Paramagnetyk - Ferromagnetyk x = 0.45 x = 0.55 2 2 Przejście fazowe Paramagnetyk - Antyferromagnetyk x = 1.0 2 B=7T G-type 6-anty Przejście fazowe Paramagnetyk - Antyferromagnetyk x = 0.0 2 2 A-type 2 – anti 4 – ferro x = 1.0 AyFz - canting Przejście fazowe Paramagnetyk - Antyferromagnetyk 2 2 x = 0.0 x = 1.0 Przejście fazowe Paramagnetyk - Antyferromagnetyk C-type 4 – anty x = 0.7 2 2 2 2 – ferro B=7T • Układ jednoosiowy • Model anizotropowy powinien być lepszym przybliżeniem niż izotropowy ( = - 0.08 w izotr. modelu Heisenberga = 0.119 w 3 wym. Model Isinga ) • x = 0.7 należy do innej klasy uniwersalności niż x = 1.0, 0.0 x = 0.0 x = 1.0 • x = 0.7 można by rozpatrywać jako quasi-jednowymiarowy układ słabo sprzężonych jednowym. łańcuchów. (J.Sznajd, Phys. Rev. B 65, 224429 (2002)). Przejście fazowe Paramagnetyk - Antyferromagnetyk x = 0.9 2 2 1 2 B=7T x = 0.7 x = 0.0 • Przemiana magnetyczna „blokowana” przez stowarzyszoną przemianę strukturalną C-T („niewrażliwą” na pole magnetyczne) • W rezultacie: - zmiana rodzaju przejścia x = 1.0 (na pierwszy) - brak wpływu pola magnetycznego na przejście Przejście fazowe Ferromagnetyk - Antyferromagnetyk x = 0.55 1 Silne przesunięcie w polu magnetycznym (bez zmiany kształtu anomalii i rodzaju przejścia) Brak rozseparowania przemiany magnetycznej i strukturalnej – przejście generowane magnetycznie Silny efekt magnetokaloryczny? Przejście fazowe Ferromagnetyk - Antyferromagnetyk T C p (T ' , B const.) S T , B const dT ' x = 0.55 T' 0 S (T1, B1 ) S S (T1, B2 ) B T T1 , B1 , B2 , T2 ? S (T1 , B1 ) S (T2 , B2 ) Silny efekt magnetokaloryczny? T B S Przejście fazowe Ferromagnetyk - Antyferromagnetyk x = 0.55 Efekt „rozsądny”, mierzalny, ale nie nadzwyczajnie duży Silny (np. porównaniu z Gd). efektwmagnetokaloryczny? WNIOSKI • Przejścia magnetyczne stowarzyszone z przemianami strukturalnymi są pierwszego rodzaju [dotyczy to przejść z fazy AF (antyferro-) do P (para-) i z AF do F (ferro-)]. • Czysto magnetyczne przejścia fazowe są drugiego rodzaju (przejścia z F do P i z AF do P) • Rodzaj zachowania krytycznego i wpływ pola magnetycznego na przejście AF-P zależą od konfiguracji AF (A, C, G). Quasi-jednowymiarowe zachowanie dla konfiguracji C (x=0.7). • Przejście pierwszego rodzaju z fazy AF do F (x=0.55): - silne przesunięcie w kierunku niskich temperatur pod wpływem pola magnetycznego (~33 K dla B= 9T) bez zmiany kształtu anomalii ciepła właściwego - interesujące efekty domenowe Przejście fazowe Ferromagnetyk - Antyferromagnetyk x = 0.55 Moment magnetyczny 1 Ciepło właściwe Przejście fazowe Ferromagnetyk - Antyferromagnetyk x = 0.55 Moment magnetyczny Efekty domenowe • Manganity mają typową strukturę domenową, np. w La0.875Sr0.125MnO3 (S. Mori et al. Mater. Trans. 44, 2567 (2003). Przejście fazowe Ferromagnetyk - Antyferromagnetyk x = 0.55 Moment magnetyczny Efekty domenowe • Manganity mają typową strukturę domenową • Z uniwersalności przejść fazowych – przemiana przebiega podobnie jak przejście antyferromagnetyk-słaby ferromagnetyk w DyFeO3 – tj. poprzez stan domen fazowych A. Maziewski, R. Szymczak, J. Phys D, 10, L37 (1977); K. Piotrowski et al. IEEE Trans. Magn. 24, 1701 (1988). Przejście fazowe Ferromagnetyk - Antyferromagnetyk x = 0.55 Moment magnetyczny Efekty domenowe • Manganity mają typową strukturę domenową • Z uniwersalności przejść fazowych – przemiana przebiega podobnie jak przejście antyferromagnetyk-słaby ferromagnetyk w DyFeO3 – tj. poprzez stan domen fazowych • Poszerzenie ścian domenowych i zmniejszenie koercji koło TC (V.V. Tarasenko et al. Fiz. Tverd. Tela 22, 503 (1980); 18, 1576 (1976) Konfiguracja A dla x = 0 Geck et al., New J. Phys. 6, 152 (2004) Daghofer et al. Phys. Rev. B 70 184430 (2004) dla x = 0.55 d y2 z2
