利用铁磁共振和??Fe穆斯堡尔谱学对反位无序Ga???Al?FeO?中磁有序的研究

《Journal of Alloys and Compounds》：Investigation of magnetic ordering in antisite-disordered Ga 1-xAl xFeO 3 by Ferromagnetic resonance and 57Fe M?ssbauer spectroscopy

　　

摘要：使用温度依赖的铁磁共振（FMR）以及"零场"和"外加场"??Fe穆斯堡尔谱学（ME）研究了Ga1-xAlxFeO?（0 ≤ x ≤ 0.3）的磁有序本质。在100至295 K之间进行的FMR测量揭示了磁有序温度以下四种共振模式：两种反铁磁耦合模式，其共振场随温度降低而增大；一种铁磁耦合模式，其共振场随温度降低而减小；以及一个与弱磁性Ga1位点相关的约3.4 kOe处的温度无关模式。铝取代使这些模式的起始温度向高温方向移动，与奈尔温度从约208 K（x = 0）增加到约240 K（x = 0.3）一致。对温度、磁场和成分依赖的穆斯堡尔谱数据的详细分析确认了高自旋Fe3?离子的存在，室温谱图显示来自八面体Fe1、Fe2、Ga2位点和四面体Ga1位点的四个四极双峰。低温外加场穆斯堡尔谱显示，Fe位点占据量变化为Fe1 > Fe2 > Ga2 >> Ga1，且在铝取代过程中各单独位点的占据量保持恒定。在50 kOe磁场下超精细场的变化证实了所有x值下Fe3?矩的亚铁磁有序。

引言：与铁磁体不同，反铁磁体因其对超快和超密集器件应用的潜力而日益受到关注，这源于邻近自旋的反平行排列以及由此产生的独特磁性动力学[1], [2]。研究反铁磁动力学的一个重要新兴平台由亚铁磁体提供，因为它们保留了一个小但有限的净磁化强度，从而可以使用传统的铁磁表征技术[1], [2], [3]。最近的研究表明，亚铁磁体中由磁场和温度驱动的畴壁运动在磁补偿温度下最快，此时反铁磁耦合的亚晶格磁化强度大小相同[4], [5]。这类亚铁磁材料的磁共振行为因其多个磁性亚晶格而固有地复杂[6], [7]。在这方面，稀土正铁氧体（RFeO?）是一类弱的铁磁性反铁磁体，结合了倾斜的反铁磁Fe3?亚晶格与稀土亚晶格[8], [9], [10]。它们固有的自旋倾斜源于Dzyaloshinskii–Moriya相互作用，导致小的净磁化强度，而占主导地位的反铁磁交换相互作用则产生高的奈尔温度和稳健的磁有序[8], [9], [10], [11], [12]。

除了稀土正铁氧体外，其他具有复杂阳离子分布和竞争磁性相互作用的亚铁磁氧化物也因其多功能特性和可调磁性行为而引起了相当大的关注。在这方面，GaFeO?（GFO）作为一种有前景的室温多铁亚铁磁体脱颖而出，在室温下表现出铁电性[13], [14], [15], [16], [17]。GFO以正交Pc2?n结构结晶，每个晶胞有八个化学式单位，包含一个四面体位点（Ga1）和三个八面体位点（Ga2、Fe1和Fe2）[13], [14], [15]。由于Fe3?（0.645 ?）和Ga3?（0.624 ?）的离子半径相近，该系统通常观察到Ga和Fe离子之间显著的错位无序[13], [14], [15]。GFO中的亚铁磁有序源于Ga1和Fe1位点上的Fe3?磁矩与Ga2和Fe2位点上的磁矩之间的反平行排列，由氧辅助的超交换相互作用介导[13], [14], [15], [16]。这四个晶体学位点的Ga:Fe占据比在决定亚铁磁-顺磁转变温度方面起着关键作用。通常，Ga1和Ga2位点富含Ga，而Fe1和Fe2位点富含Fe。GFO表现出约208 K的奈尔温度（T_N），可以通过部分取代Ga为合适的金属离子来有效调节[15], [16]。铝是GaFeO?中Ga位点最有利的取代元素之一，因为它通过增加磁矩和T_N来增强磁性[15], [18]。Al3?的离子半径（0.535 ?）小于Ga3?和Fe3?的离子半径，导致局部结构畸变发生变化[15]。在这些阳离子位点中，Ga1是最不畸变的，而Ga2、Fe1和Fe2位点由于离子半径的不匹配而经历更大的畸变[13], [14], [15]。在我们对Ga1-xAlxFeO?的早期研究中，我们发现Ga位点的铝取代导致晶格参数、阳离子-氧键长系统性减小以及键角改变[15]。这些改变增强了超交换相互作用，导致T_N从208 K（x=0）到240 K（x=0.30）显著增加，以及随铝含量增加而增加的饱和磁化强度[15]。在Ga1-xAlxFeO?中，远高于T_N（顺磁区域）的温度依赖磁化率倒数的非线性，表明存在短程磁有序[15]。我们进一步使用温度依赖的拉曼光谱证明了强自旋-声子耦合的存在[17]。此外，铝取代被证明可以增强磁热效应并将熵变峰值移至更高温度，而临界行为分析显示出平均场型临界指数，证实了亚铁磁-顺磁转变的二阶性质[17]。这些结果共同突出了Al取代GaFeO?中晶格畸变、磁性交换相互作用和自旋-晶格耦合之间的复杂相互作用，从而促使使用铁磁共振（FMR）和穆斯堡尔谱学进行动力学和微观研究。

虽然FMR和穆斯堡尔谱学是研究磁系统自旋动力学的敏感且互补的实验工具，但在Ga1-xAlxFeO?正铁氧体中的此类研究在很大程度上仍未被探索。亚铁磁和弱铁磁氧化物的磁响应具有很强的频率依赖性，反映了不同的自旋弛豫时间尺度。在铁磁共振（FMR）探测的GHz范围内，响应由宏观磁化强度的相 coherent 进动决定，并对磁各向异性、交换相互作用、自旋倾斜和亚晶格耦合高度敏感[19], [20], [21]。虽然关键的FMR参数，如共振场（H_r）、线宽（ΔH）、g因子和线形，为宏观磁行为和微观自旋相互作用提供了有价值的见解，但??Fe穆斯堡尔谱提供了关于Fe3?离子的局部环境、氧化态和位点占据的详细信息。穆斯堡尔谱学通过γ射线的共振吸收获得超高频区域，并探测Fe原子核处的准静态局部超精细场，使其对磁有序、慢自旋涨落和局部对称性敏感[22], [23]。与FMR结合，穆斯堡尔谱学提供了对静态和动态磁性的全面理解。FMR和γ射线穆斯堡尔谱学的结合应用因此提供了一个全面的框架，将宏观自旋动力学与局部磁环境相关联，以及交换相互作用、磁各向异性和磁性亚晶格之间的相互作用。因此，跨越这两个不同频率范围的组合分析提供了对Ga1-xAlxFeO?中动态和静态磁行为的更深入、更全面的理解。

在本研究中，我们使用温度依赖的FMR和??Fe穆斯堡尔谱学，研究了铝取代对Ga1-xAlxFeO?（0 ≤ x ≤ 0.3）中铁离子在多个位点的磁微结构和局部环境的影响。FMR测量在宽温度范围内探测自旋动力学、磁各向异性和弛豫过程，而穆斯堡尔谱学在室温（T > T_N）和低温（T < T_N）下在零磁场和外加磁场中进行，提供关于阳离子分布、氧化态和与亚晶格相关的超精细相互作用的位点特定信息。

实验细节：使用溶胶-凝胶法合成Ga1-xAlxFeO?样品，成分为x = 0.0、0.05、0.10、0.20和0.30的多晶粉末，按照我们先前论文中描述的程序进行[15]。室温X射线衍射（XRD）测量使用PANalytical X'Pert Pro衍射仪，采用Cu-Kα辐射（λ = 1.54 ?）在Bragg-Brentano几何下完成。使用X'Pert HighScore软件进行的XRD图谱Rietveld精修确认了所有样品...

温度依赖性铁磁共振：先前的磁学研究已揭示，Ga1-xAlxFeO?（0 ≤ x ≤ 0.3）中的奈尔转变温度T_N随x线性增加，从208到240 K[15]。为了研究从顺磁态到亚铁磁态的磁性行为演变，在120至295 K之间进行了温度依赖性铁磁共振（FMR）测量，覆盖了所有样品的远高于和低于T_N的温度。测量在固定的微波频率下进行...

结论：在100至295 K之间对Ga1-xAlxFeO?记录的FMR谱揭示了T_N以下四种不同的共振模式。在四种共振模式中，两种共振场H_r2和H_r3（分别对应Fe2和Ga2位点）在冷却时增加，而共振场H_r1（与Fe1位点相关）随温度降低而减小。此外，观察到与弱磁性Ga1位点相关的约3.45 kOe处的温度无关模式H_r4。使用Kittel共振条件...

CRediT作者贡献声明：Saarthak Dulgaj：撰写——原稿，调查研究，形式分析，数据整理。S Srinath：撰写——审阅与编辑，监督，资金获取，概念化。Kaul S. N.：撰写——审阅与编辑。Saurabh Gupta：数据整理。Mohd Aamir Khan：数据整理。V R Reddy：调查研究。G A Basheed：调查研究。

竞争利益声明：作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

Saarthak Dulgaj | Mohd Aamir Khan | Saurabh Gupta | G A Basheed | V R Reddy | S.N. Kaul | S. Srinath
印度海得拉巴大学物理学院，特伦甘纳邦，500046