鏈狀自旋鐵電體系結構研究取得新進展

 

　　【圖文導讀】

 

　　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中晶格的結構的Jahn-Teller畸變和Raman振動模式的改變

 

　　

 

 

 

　　【研究內容】

 

　　由于在電磁、自旋電子學、磁存儲等領域具有潛在應用價值，多鐵材料引起了廣泛的關注。Ca3Co2-xMnxO6(x ≈ 1)是一個典型的磁場驅動鐵電體系。它的結構是由沿著c方向的CoO6三棱鏡結構和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。由于很強的鏈內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描述。在鏈內，由于近鄰的鐵磁耦合和次近鄰的反鐵磁耦合的競爭，導致自旋呈現“向上-向上-向下-向下”的反鐵磁結構。交替的Co2+和Mn2+離子形成磁有序結構打破反演對稱性，從而在16.5K誘導沿著c方向的電極化。當沿著c方向施加磁場，電極化被破壞。一種可能的解釋是由于“向上-向上-向下-向下”的自旋有序結構改變為“向上-向上-向上-向下”的自旋構型，從而破壞了電極化。而另一種在10T下抑制電極化的機制則認為是磁場導致Mn2+離子的自旋反轉到ab面內所導致。此外，輕微的破壞Co/Mn離子有序，會大大增強體系的鐵電性。實驗證明，在這一體系中，離子有序和自旋阻挫對增強鐵電性質具有重要的作用。因此，對偏離x=1的Ca3Co2-xMnxO6的電磁性質研究，對增強該體系的鐵電性質具有重要意義。

 

　　在本工作中，研究人員發現，和母體Ca3CoMnO6相比，沿著自旋鏈的方向(即c方向)，電極化的量級和轉變溫度都提高了數倍。此外，當磁場垂直于鏈時探測到了電極化。這是在Ca3Co2-xMnxO6體系中第一次從實驗上探測到垂直于c方向的電極化。通過低溫XRD，對其低溫的結構進行了詳細研究，發現Co2+O6三棱鏡結構發生了Jahn-Teller畸變。對于x=1的母體樣品，其晶胞在兩個方向的變化是相等的，而對于x=0.75和0.25的樣品，在各個方向上發生了不對稱的變化。通過低溫Raman光譜，研究人員對聲子的振動模式進行了研究，發現Jahn-Teller畸變破壞了Co2+O6三棱鏡結構的C3對稱性，從而導致了沿著和垂直c軸方向的電極化。通過結構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