磁场和静水压力对PrFe0.65Mn0.35O3单晶中自旋重取向的影响

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Effects of magnetic field and hydrostatic pressure on the spin reorientation in PrFe 0.65Mn 0.35O 3 single crystals

　　

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  通过光学浮区法生长了高质量PrFe_0.65Mn_0.35O₃单晶。
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  在337–320 K观察到近室温的Γ₄到Γ₁自旋重新取向。
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  该转变对外磁场高度敏感（?0.75 K/kOe），但在静水压下保持稳定。
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  该材料在自旋电子学领域表现出独特的磁场可调性和压力鲁棒性。

引言

稀土正铁氧体RFeO₃由于其正交畸变的钙钛矿结构[1], [2], [3], [4]，是研究磁有序转变和自旋动力学的经典体系。其晶体结构由相互连接的FeO₆八面体构成的Fe³⁺亚晶格和位于间隙位点的R³⁺离子组成。在高温下（约600–700 K），Fe³⁺离子通过超交换相互作用建立反铁磁有序，而Dzyaloshinsky-Moriya相互作用引入轻微的自旋倾斜，产生微弱的铁磁矩[5]。R³⁺离子通常在低得多的温度下发生有序化（通常低于10K）[6]。两个亚晶格之间的Fe³⁺-O^2?-R³⁺超交换耦合产生了丰富的磁性现象，包括自旋重新取向[7], [8]、自旋开关[9]和磁化补偿[10]。这些特性使RFeO₃在基础磁性和基于自旋的功能领域具有重要意义，在超快自旋电子器件、磁传感和磁存储等领域具有潜在应用。

自旋重新取向（SR）转变是指Fe³⁺亚晶格的易磁化轴随温度或其他参数的变化。由于该过程仅涉及从一个有序自旋排列切换到另一个同等有序的排列，相关的构型熵变可以忽略不计，因此自由能变化主要由磁各向异性能决定。在Pbnm空间群的对称性约束下，磁结构局限于四种不可约表示，包括Γ₁（A_x, G_y, C_z）、Γ₂（F_x, C_y, G_z）、Γ₃（G_x, F_y, A_z）和Γ₄（G_x, A_y, F_z）[7], [11]。Γ₂和Γ₄相分别沿a轴和c轴表现出弱铁磁性，而Γ₁相为共线反铁磁体，无净磁矩。SR转变对应于系统在不同磁各向异性构型之间热交换基态。该过程由Fe³⁺亚晶格的各向异性能、R³⁺亚晶格的各向异性以及它们之间交换作用的复杂竞争所驱动。RFeO₃家族中不同稀土元素的SR转变温度差异很大，跨越数百开尔文[5], [6], [7], [9], [12], [13], [14], [15], [16]。

掺入其他离子是一种有效的策略，可将SR转变温度向理想的室温区域调控。A位稀土替代和B位过渡金属替代均已被证明可以调节RFeO₃中的SR温度[17], [18], [19], [20]。特别是，在B位用Mn³⁺替代Fe³⁺可以显著改变Fe³⁺-O^2?-Fe³⁺超交换路径和磁各向异性。例如，在SmFe_0.75Mn_0.25O₃中，Mn³⁺掺杂被发现可在361 K至382 K之间诱导Γ₄ → Γ₂ SR转变，随后在212 K发生第二次Γ₂ → Γ₁转变[19]，展示了Mn诱导SR序列的能力。在PrFe_1-xMn_xO₃中也观察到类似的SR行为调控[20]，其中通过改变Mn含量可以连续调节SR温度跨越室温范围，并将SR类型从Γ₄ → Γ₂改变为Γ₄ → Γ₁。这种行为源于Mn³⁺（3d⁴）和Fe³⁺（3d⁵）的不同电子构型，它们改变了Fe-O-Fe超交换路径并增强了过渡金属亚晶格各向异性和Pr³⁺-Fe³⁺耦合之间的竞争[7]。

除磁场外，静水压是调节磁性的另一个重要物理参数。压力可以改变晶格常数、键长和键角，直接影响交换作用强度和磁各向异性，从而影响磁相变。基于我们之前的发现，高静水压可以显著拓宽NdFeO₃单晶中的SR温度范围并诱导新的混合相序列[21]。最近，人们观察到压力甚至可以稳定Sm_0.5Y_0.5FeO₃单晶中稀有的Γ₃相[22]。这些结果强调了压力作为控制磁相变的有效手段的潜力。然而，系统了解自旋重新取向如何响应多种外部刺激仍然缺乏。获得这种理解至关重要，因为它阐明了基本能量项之间的竞争，如磁各向异性和交换相互作用，并阐明了这些相互作用如何依赖于外部条件。这种理解对于推进自旋-晶格耦合的基础物理以及引导设计具有定制磁响应的功能材料也至关重要。

本工作中，我们聚焦于PrFe_0.65Mn_0.35O₃单晶，其中Mn³⁺掺杂预计会诱导近室温的Γ₄-Γ₁ SR转变。在确认了高晶体质量和基本磁各向异性后，我们系统地研究了其SR转变对磁场和静水压的响应。我们发现该材料中的SR转变对外磁场高度敏感，而对静水压的响应非常有限。这种独特的响应各向异性不仅为交换耦合提供了新的见解，而且由于其磁场敏感性和压力稳定性的独特组合，使该材料成为自旋有序调制和近室温应用的有前景候选者。

章节摘要

实验方法

多晶PrFe_0.65Mn_0.35O₃前驱体棒通过标准固相反应法合成。高纯度Pr₆O₁₁（99.99%）、Fe₂O₃（99.9%）和MnO₂（99.9%）粉末按化学计量比称量，充分混合后在空气中1200 °C烧结24小时。单晶使用双镜光学浮区炉（IRF01-001-05，Quantum Design）在空气气氛中生长，未使用籽晶，允许自发成核及

结果与讨论

图1(a)展示了生长的高质量PrFe_0.65Mn_0.35O₃单晶棒，长度达到厘米级。通过劳厄定向法获得的生长方向与a轴、b轴和c轴之间的角度也基于其角度关系进行了说明。研磨晶体在室温下的XRD图谱及其相应的Rietveld精修结果展示在图1(b)中。所有衍射峰均可索引为Pbnm的

结论

总之，成功生长了高质量PrFe_0.65Mn_0.35O₃单晶，并系统地研究了其自旋重新取向行为。我们的研究表明，PrFe_0.65Mn_0.35O₃表现出近室温的Γ₄ → Γ₁转变。该SR转变对外磁场高度敏感，其起始温度随磁场强度增加以约?0.75 K/kOe的速率移动。相比之下，转变温度基本保持不变

CRediT作者贡献声明

Yanru Kang：撰写初稿，监督指导，方法学，形式分析。Yao Zhao：撰写初稿，调查研究，数据整理。Shiyun Zheng：调查研究，数据整理。Jisheng Zhang：方法学，调查研究。ZeShan Liu：方法学。Gangtao Li：方法学。Fengjun Jiang：数据整理。Qi Chen：软件。Yuanlei Zhang：方法学。Shengxian Wei：方法学。Zhe Li：调查研究。FangbiaoWang：软件。Kun Xu：监督指导，方法学，数据整理。Yiming Cao：

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本论文报告的工作。

致谢

本工作得到国家自然科学基金（编号：51862032, 52261035）、云南省教育厅科学研究基金（编号：2024J0936）和云南省高校创新型研究团队计划（IRTSTYN）的支持。

Yanru Kang|Yao Zhao|Shiyun Zheng|Jisheng Zhang|ZeShan Liu|Gangtao Li|Fengjun Jiang|Qi Chen|Yuanlei Zhang|Shengxian Wei|Zhe Li|FangbiaoWang|Kun Xu|Yiming Cao