Crystal and spin structure and their relation to physical properties in some geometrical and spin spiral multiferroics

Chogondahalli Muniraju, Naveen Kumar; Brückel, Thomas

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-42858

Crystal and spin structure and their relation to physical properties in some geometrical and spin spiral multiferroics = Kristall- und Spin-Struktur und ihre Beziehung zu physikalischen Eigenschaften in einigen geometrischen und spiralförmigen Multiferroika

Chogondahalli Muniraju, Naveen Kumar

2012

VerantwortlichkeitsangabeNaveen Kumar Chogondahalli Muniraju

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich, Zentralbibliothek 2012

UmfangIII, 190 S. : Ill., graph. Darst.

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich : Reihe Schlüsseltechnologien ; 44

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Brückel, Thomas (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2012-06-27

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-42858
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/62916/files/4285.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Multiferroikum (Genormte SW) ; Magnetische Neutronenstreuung (Genormte SW) ; Neutronenstreuung (Genormte SW) ; Hyperfeinstruktur (Genormte SW) ; Röntgenbeugung (Genormte SW) ; Physik (frei) ; Kristallfeldwechselwirkung (frei) ; multiferroics (frei) ; magnetic neutron scattering (frei) ; crystal field interactions (frei) ; hyperfine levels (frei) ; x-ray diffraction (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
pacs: 71.70.Ch * 61.05.F- * 28.20.Cz * 75.85.+t * 75.25.-j

Kurzfassung
Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Synthese und Untersuchung der Kristall- und Spin-Struktur in gewissen geometrischen und Spin-Spiralen Multiferroika. Multiferroische Materialien erfahren zwei oder mehr „ferroische“ Eigenschaften wie zum Beispiel Ferroelektrizität, Ferromagnetismus, oder Ferroelastizität. Solche Materialien werden als starke Kandidaten für zukünftige Computer-Datenspeicherung und Spintronik angesehen. Die zwei Typen von Multiferroika, die im Rahmen dieser Dissertation untersucht wurden, sind einerseits geometrisch frustrierte Systeme, spezifisch hexagonales DyMnO3 (hDMO) und orthorhombisches HoCrO3 (HCO), und andrerseits die Spin-Spiral-Systeme mit Wolframit-ähnlicher Struktur Mn0.9Co0.1WO4 (MCoW) und Mn0.9Cu0.1WO4 (MCuW). Die Proben wurden charakterisiert sowohl mit makroskopischen Techniken wie spezifischer Wärme und Magnetisierung, als auch mit den mikroskopischen Techniken der Röntgen-Beugung und Neutronen-Streuung. Polykristalline Proben von HCO wurden durch die herkömmliche Festkörper-Reaktionsmethode präpariert, und die Phasenreinheit mittels Röntgen-Beugung bestätigt. Mit Magnetisierungsmessungen bestimmten wir die magnetische Ordnungstemperatur und fanden auch Anzeichen für antiferromagnetische Austausch-Wechselwirkungen. Die thermischen Eigenschaften von HCO können sehr gut durch Beiträge des Gitters sowie von hyperfeinen und Kristallfeld-Wechselwirkungen beschrieben werden. Von der spezifischen Wärme konnten diese verschiedenen Beiträge quantitativ bestimmt werden. Das hyperfeine Feld am Ho Gittergitterplatz sowie die Energie der hyperfeinen Aufspaltung wurden abgeleitet. Mithilfe einer Schottky-Formel für mehrfache Kristallfeld-Niveaus wurden fünf Kristallfeld-Energien berechnet. Die magnetische Ordnung von Cr- und Ho-Momenten in HCO wurde durch Neutronen-Pulver-Beugung bestimmt. Die thermische Variation der geordneten Cr- und Ho-Momente konnte mit Molekularfeld-Theorie erklärt werden. Neutronen-Pulverbeugung wies auf die Präsenz von Spin-Fluktuationen hin, was durch INS bestätigt wurde. Von den INS-Daten wurde die Korrelationslänge der kurzreichweitigen Ordnung bestimmt, mittels der Selyakov-Scherrer Formel. Die Temperaturabhängigkeit der Gitterparameter zeigt anomale Änderungen im Bereich der magnetischen Ordnungstemperatur, was auf einen magnetoelastischen (ME) Effekt in HCO hindeutet. Starke Änderungen (dV) des Volumens der Einheitszelle aufgrund des ME-Effekts wurde bestimmt in der Grüneisen-Näherung. Die lineare Abhängigkeit von dV und der Cr-Momente bestätigen die Ursache des ME-Effekts. Einkristalle des metastabilen hDMO wurden mit Zonenschmelzen im Spiegelofen gezogen. Magnetisierung und spezifische Wärme deuten auf je zwei Phasenübergänge bei hohen und tiefen Temperaturen hin, verbunden mit magnetischen Phasen der Mn und Dy Untergitter. Von isothermen Magnetisierungsmessungen bei tiefen Temperaturen wurde das magnetische Phasendiagramm erstellt, welches Übergänge von antiferromagnetischen zu induzierten ferrimagnetischen Phasen enthält. Mittels Einkristall-Neutronenbeugung wurde die Hochtemperatur-Ordnung des Mn Untergitters und die Tieftemperatur-Ordnung von Dy bestimmt. Wir estellten das magnetische Phasendiagramm von hDMO aufgrund der Resultate unserer Messungen der Magnetisierung und der spezifischen Wärme sowie der Einkristall-Neutronenbeugung, kombiniert mit Literaturdaten. Wir fanden, dass bei hoher Temperatur die Mn- und Dy-Untergitter mit verschiedenen magnetischen Symmetrien ordnen, was wir der schwachen 3d-4f Wechselwirkung zuschreiben. Dieses Ergebnis ist drastisch verschieden von der Situation in hexagonalen Manganaten mit anderen seltenen Erden. Zusätzliche Temperaturabhängigkeiten der Gitterparameter bestätigten die Präsenz eines ME-Effekts. Polykristalline Proben von MCoW und MCuW wurden mittels Festkörper-Reaktion synthetisiert. Magnetisierungsmessungen zeigten, dass die magnetischen Austausch-Wechselwirkungen stark antiferromagnetisch sind. Die magnetische Struktur wurde mit Neutronen-Pulverbeugung bestimmt, bei mehreren Temperaturen unterhalb der Ordnungstemperatur. In beiden Verbindungen ist eine inkommensurable Phase präsent. Die magnetische Struktur von MCoW ist in guter Übereinstimmung mit Literatur-Ergebnissen, während die magnetische Ordnung in MCuW sehr verschieden ist von derjenigen der Ausgangsverbindung MnWO4 und weiteren dotierten Verbindungen dieser Familie: MCuW erfährt eine sinusoidale Spin-Anordnung im gesamten Temperaturbereich, während andere Verbindungen in gewissen Temperaturbereichen spiralförmige Spinstrukturen aufweisen. Dies eröffnet eine weitere Gelegenheit, die Implikationen der magnetischen Ordnung auf die dielektrischen Eigenschaften in dieser Klasse von Multiferroika zu studieren.

The aim of the present work has been to synthesize and to investigate crystal and spin structure in some geometrical and spin spiral multiferroics. Multiferroic materials exhibit two or more ferroic properties such as, ferroelectricity, ferromagnetism and ferroelasticity. These materials are considered as prime candidates for future computer data storage and spintronics. There are several classes of magnetoelectric multiferroics classified based on the origin of multiferroicity. The two types of multiferroic compounds investigated in the present dissertation are, geometrically frustrated systems including; hexagonal DyMnO3 (hDMO) and orthorhombic HoCrO3 (HCO) and spin spiral systems including wolframite type Mn0.9Co0.1WO4 (MCoW) and Mn0.9Cu0.1WO4 (MCuW). The samples were characterized by macroscopic techniques; specific heat and magnetization as well as microscopic techniques; x-ray diffraction and neutron scattering. Polycrystalline samples of HCO were prepared by solid-state reaction method and the phase purity is confirmed by x-ray diffraction measurements. From magnetization measurements we determined magnetic ordering temperature and also an indication of antiferromagnetic exchange interactions is found. The thermal properties of HCO can be very well described in terms of lattice, hyperfine and crystal field interaction contributions. From the specific heat data the contributions from lattice, hyperfine and crystal field interactions was determined. The hyperfine field at Ho site and the hyperfine splitting energy are deduced. Using a Schottky formula for multiple crystal field levels, five crystal field energies were computed. Magnetic ordering of both Cr and and Ho moments in HCO was determined by neutron powder diffraction (NPD) measurements. The thermal variation of Cr and Ho ordered moments was understood based on molecular field (MF) theory. NPD data also indicated the presence of spin fluctuations, which was confirmed by INS measurements. From INS data the correlation length of short range ordering was calculated using Selyakov-Scherrer formula. Thermal variation of lattice parameters shows anomalous changes around magnetic ordering temperature indicating the presence of magnetoelastic effect (ME) in HCO. Excessive change in unit cell volume (dV) due to ME was determined using Grüneisen approximation. The linear dependence of dV and Cr magnetic moments confirm the origin of ME effect. Single crystals of metastable hDMO were grown by optical floating zone technique. Magnetization and specific heat measurements indicated two high temperature and two low temperature phase transitions, associated with high and low temperature magnetic phases of Mn and Dy sublattices. From isothermal magnetization at low temperatures a magnetic phase diagram was constructed associated with induced antiferromagnetic to ferrimagnetic transition. From single crystal neutron diffraction measurements the high temperature ordering temperature of Mn sub lattice and low temperature magnetic ordering of Dy was determined. From our magnetization, specific heat and single crystal neutron diffraction experiments combined with the reported results we constructed a magnetic phase diagram of hDMO. It was found that at high temperature Mn and Dy sublattices order with different magnetic symmetries, which is attributed to weak 3d-4f interactions. This result is in striking contrast to other hexagonal rare earth manganites. Further thermal variation of lattice parameters confirmed the presence of ME effect. Polycrystalline samples of MCoW and MCuW were prepared by solid-state reaction method. From magnetization measurements the magnetic exchange interactions were found to be strongly antiferromagnetic. The magnetic structure at several temperatures below ordering temperature was determined by NPD measurements. An incommensurate magnetic phase is found in both the compounds. The magnetic structure of MCoW is in good agreement with the reported results while the magnetic ordering in MCuW is very different from the parent MnWO4 and other doped compounds in this family. In the whole temperature range MCuW exhibit sinusoidal spin arrangement while other compounds exhibit spiral spin ordering in certain temperature range. This provides a further opportunity to study the implications of magnetic ordering on the dielectric properties in this class of multiferroics.

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