Слайд 1 - Объединенный институт ядерных исследований

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, Россия
2) Тульский государственный университет, 300600, Тула, Россия
3)Bayerisches Geoinstitute, University Bayreuth, D-95440 Bayreuth, Germany
Перовскитоподобные манганиты A1-xBxMnO3
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
J.M.De Teresa et al., Phys. Rev. B 54, 1187 (1996).
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.
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.
Анализ дифракционных данных производился методом Ритвельда с помощью
программ MRIA (кристаллическая структура) и FullProf (магнитная структура).
Спектры нейтронной дифракцией
10000
NaCl
AFM
NaCl FМ
Intensity (arb. units)
7500
FМ
P = 0 GPа T = 10 K
NaCl
P = 4.5 GPa
T = 10 K
3
P = 4.5 GPa
T = 10 K
AFM
4
NaCl d
5
,Å
6
hkl
7
8
FM
AFM
5000
P = 0 GPa
T = 10 K
FM
2500
P = 0 GPa, T = 295 K
0
1.5
2.0
2.5
3.0
dhkl, Å
3.5
4.0
a)
1.96
b)
164
Mn-O2>
Mn-O-Mn>
163
1.92
Mn-O1
P
162
b
c
1.90
O2
a
O1
Mn
O2
161
0
1
2
3
0
4
P, GPa
1
2
3
4
Mn-O-Mn>
,
Mn-O, Å
0
1.94
Z
P
Ed(z2)
b
c
O2
a
O1
Mn
O2
X
Ed(z2)
Ed(x2-y2)
Ideal Cubic:
lMn-O1/lMn-O2 = 1
Y
Ed(x2-y2)
X
Анизатропное. Сжатие
вдоль оси b:
lMn-O1/lMn-O2 < 1
Z.Fang, V.I.Solovyev, and K.Terakura, Phys. Rev. Lett. 84 3169 (2000)
Структура АФМ А-типа при
высоких давлениях
Орбитальное упорядочение
АФМ А-типа
 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.
2.0
Pr0.7Sr0.3MnO3
АФМ А-типа
1.5
АФМ
B
P = 4.5 ГПа
АФМ  A  1  T TN 
1.0

0.5
0
50
T, K
100
150
P = 0 GPa
 3S FM T 
FM
 BS 

0
S

1

T
0
C 

P = 1.9 GPa
3
FМ
B
4
P = 4.5 GPa
2
280
1
276
TC, K
284
272
0
0
1
2
3
4 Р, GPa
100
T, K
200
300
Температура фазового перехода в ФМ состояние линейно увеличивает с
барическим коэффициентом dTc./dP ≈2.2 K/ГПа
В рамках модели двойного обмена температура фазового перехода в ФМ
фазу пропорциональна величиной ширины зоны носителей заряда W:
TC~W
W  W  cos2  / l 3.5
0
(1 / TC )(dTC / dP)  3.5kMn-O  2( Mn-O-Mn ). tan( Mn-O-Mn ).k
где kMn-O– среднее значение сжимаемости длин связей , φMn-O-Mn– среднее
значение угла и его сжимаемость
k  (1/ Mn-O-Mn 0 )(dMn-O-Mn / dP) T
Рассчитанное на основе полученных барических зависимостей
структурных параметров значение dTc/dP=3 K/ГПа близко к
экспериментальному dTc/dP=2.2 K/ГПа.
Спектры рентгеновской дифракцией при высоких давлениях
30000
Pr0.7Sr0.3MnO3
Imma
6.2 GPa
Intensity, arb. units
0 GPa
Pnma
20000
10.4
Au
Re
(111)
11.2
Re
Au
12.0
9.4 GPa
6.2 GPa
10000
1.9 GPa
bp
0 GPa
0
(101)/ (111)
(020)
10
12
(002)/(200)/
(121) (210)
14
(220)/
(022)
16 2 deg 18
(202)/
(040)
20
22
b
a
235
5.5
225
3
5.4
c
220
V, Å
Lattice parameters, Å
230
a
5.3
215
b/ 2
5.2
Ptr
0
5
210
3
4
10 15 20 25 30
Ptr
0
5
205
10 15 20 25 30
P, GPa
P, GPa
Уравнение состояния Birch–Murnaghan:
7
5
2

  




3


3  V  3  V  3   3
V
P V   B0       1    B1  4       1 

  V0 
 
2   V0 
 V0    4


 


где
B0  V (dP / dV )T B1  (dB0 / dP )T
B0=120(4) ГПа Pnma
B0=170(4) ГПа Imma
Рамановские спектры манганита при различных давлениях при
комнатной температуре
510
b
a
1500
495
-1
Raman frequencies, cm
Intensity, arb. units
20.9 GPa
480
1000
12.4GPa
Ag
465
7.4GPa
500
450
3.0 GPa
Ag
435
Bg
0
400
600
Raman shift, cm
0
-1
5
10
15
P, GPa
20
25
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.