Universität zu Köln

Niesen, Sandra Katharina (2015). Synthesis and Characterizatin of Spin-Chain Compounds of the AM2V2O8 Type. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Different representatives of the group of quasi-one-dimensional spin-chain compounds Ba(1-x)Sr(x)(Co(1-y)M(y))2V2O8 with M= Mn, Cu, Ni, Mg and (Ba,Sr)Mn2V2O8 were synthesized, characterized and their magnetic phase diagrams determined for H||c, H||a and H||[110]. The tetragonal structure of these compounds consists of screw chains of edge-sharing MO6 octahedra, where depending on the transition metal M different spin values are realized. The chains are separated by nonmagnetic Ba or Sr and V ions. Large single crystals were grown via the floating-zone method in a mirror furnace employing the twice scanning method. The single crystal studies of the S=5/2 Heisenberg spin chains BaMn2V2O8 (T_N = 37 K) and SrMn2V2O8 (T_N = 42 K) reveal a weak positive field dependence. BaMn2V2O8 shows a spin-flop transition at H^(perpendicular c} = 300 mT as is observed in the susceptibility and the magnetostriction. Deduced from this data a magnetic structure is suggested similar to the magnetic structure of SrMn2V2O8 which reveals ferromagnetic planes (spins along (+-)a) that are ordered antiferromagnetically to each other along the chain direction c [100]. BaCo2V2O8 is a quasi-one dimensional effective S=1/2 Ising chain where the antiferromagnetic Ising chains along c have a frustrated inter-chain arrangement leading to the presence of two magnetic domains. Below T_N = 5.4 K the system undergoes a structural distortion as confirmed by zero-field high-resolution thermal-expansion. Via magnetoelastic coupling the structural domains couple to the magnetic domains and can be manipulated by uniaxial pressure or magnetic fields along a. The expected distortion of the order of 10^(-5) could hardly be detected in high-resolution single crystal X-ray diffraction. For H||c, the Néel ordered state breaks down at H_c= 3.9 T where an incommensurate (IC) phase is entered in the low-T region [24,110]. A first order transition is confirmed by a hysteresis in the low-T magnetostriction. Thermal expansion yields very broad anomalies in the low-T region of the high-field curves and the IC-to-paramagnetic phase boundary was traced up to 17 T. For H perpendicular c, an in-plane anisotropy was found with a weak field dependence of T_N for H||[110], but a complete suppression of T_N at H^(||a} = 10 T. Kimura et al. developed a model where a magnetic field H||a is accompanied by a staggered transverse field component via a staggered g tensor [96]. The predicted breakdown of the magnetic order for H||a is evidenced in magnetostriction and the collapse of magnetic superstructure peaks in single-crystal neutron diffraction. The field-induced detwinning of the structural/magnetic domains is clearly observed in the different field hysterses of magnetic Bragg peaks being sensitive to different domains. Moreover, the magnetic field induces an increasing intensity for nuclear reflections due to a uniform ferromagnetic component parallel to to the external field. In addition, the presence of forbidden reflections and their field-dependent behavior are explained by the presence of the staggered moments giving a qualitative confirmation of the Kimura model. Different measures (thermal conductivity, heat capacity, neutron diffraction) show additional anomalies around 6 T whose origin remains unknown. The investigation of out-of-chain substitutions in the Ba(1-x)Sr(x)Co2V2O8 series and of in-chain substitutions in the BaCo1.9M0.1V2O8 series (M= Mn, Ni, Cu, Mg) yields a preservation of the orthorhombic distortion (below T_N) and of both the Ising and in-plane anisotropy. Judging from these experimental results the magnetic structure is essentially preserved for all substitutions which was recently confirmed for SrCo2V2O8 by neutron diffraction [100]. Only indirect hints for a transition from the \neel ordered into an IC phase for H||c are given by hysteretic magnetostriction curves in the low-T regime. The Sr substitution yields a slight decline of the Ising anisotropy but an increase of the in-plane anisotropy as is reflected in the magnetic phase diagrams. These changes in the anisotropies can be understood by a systematic increase of the distortion of the CoO6 octahedra with increasing Sr content. Due to the decreasing inter-chain distance with increasing Sr content a change of J^(perp)_(NN) and J^(perp)_(NNN) is suggested in a way that the resulting frustration increases, which in turn results in a weakened effective inter-chain interaction and a weakly decreasing T_N with increasing Sr content. The substitution of, e.g., Cu and Mg yields a drastic reduction of the ordering temperature. Due to the strong suppression of T_N by Mg in contrast to, e.g., Ni the NN intra-chain interaction is suggested to be the dominant coupling mechanism of the finite chain segments.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Synthese und Charakterisierung von Spinketten Systemen des AM2V2O8 Typs German
Translated abstract:	Abstract Language Die quasi-eindimensionalen Spinketten Systeme Ba(1-x)Sr(x)(Co(1-y)M(y))2V2O8 mit M= Mn, Cu, Ni, Mg und Ba,Sr)Mn2V2O8 wurden synthetisiert, charakterisiert und die Magnetfeld-Temperatur Phasendiagramme für die Feldrichtungen H||c H||a und H||[110] erstellt. In der tetragonalen Struktur formen die eckenverknüpften MO6 Oktaeder Schraubketten entlang c, die durch die nicht-magnetischen Ionen Ba oder Sr und V separiert sind. Das Übergansmetall M bestimmt den Magnetismus dieser Systeme. Große Einkristalle wurden mit dem Schmelzzonenverfahren in einem Spiegelofen hergestellt unter Anwendung der sog. twice-scanning Methode. Die Einkristallstudie der S=5/2 Heisenberg Spinketten BaMn2V2O8 (T_N = 37 K) und SrMn2V2O8 (T_N = 42 K) ergibt eine schwach positive Feldabhängigkeit der Ordnungstemperatur. Im Fall von H senkrecht c zeigt BaMn2V2O8 einen Spin-Flop Übergang bei H^(perp c) = 300 mT sowohl in der Suszeptibilität, als auch in der Magnetostriktion. Aus diesen Daten leitet sich eine ähnliche Magnetstruktur ab, wie sie für SrMn2V2O8 bereits publiziert wurde und welche ferromagnetische Ebenen (mit Spins (+-)a) beinhaltet, die untereinander antiferromagnetisch entlang c geordnet sind [100]. In der quasi-eindimensionalen effektiven S=1/2 Ising Spinkette BaCo2V2O8 weisen die antiferromagnetischen Ising Ketten (entlang c) eine frustrierte Zwischenketten-Anordnung auf, die zu der Ausbildung zweier magnetischer Domänen führt. Druckabhängige Messungen der thermische Ausdehnung im Nullfeld lassen auf eine strukturelle Verzerrung unterhalb von T_N = 5.4 K schließen, bei der die strukturellen Domänen via magnetoelastischer Kopplung den magnetischen Domänen folgen und welche durch uniaxialen Druck oder Magnetfelder entlang a ausgerichtet werden können. Die erwartete geringe Aufspaltung von 10^(-5) konnte ansatzweise auch in hoch-auflösender Einkristall-Röntgendiffraktion beobachtet werden. Für H||c bricht der geordnete Zustand bei H_c= 3.9 T zusammen und geht bei tiefen Temperaturen in eine inkommensurable Phase über [24,110]. Eine Hysterese in der Magnetostriktion belegt dort einen Phasenübergang erster Art. Die Phasengrenze zwischen paramagnetischem und inkommensurablem Zustand konnte bis zu 17 T verfolgt werden. Für H senkrecht c wurde eine Anisotropie in der Ebene entdeckt, bei der sich nur eine schwache Feldabhängigkeit von T_N für H||[110], jedoch ein kompletter Zusammenbruch der Ordnung für H||a zeigt. Kimura et al. entwickelten ein Modell, bei dem ein Magnetfeld H||a durch einen alternierenden g Tensor auch transversale (gestaffelte) Feldkomponenten induziert [96]. Der vorhergesagte Zusammenbruch der magnetischen Ordnung für H||a = 10 T konnte anhand von Magnetostriktionsmessungen und dem Verschwinden magnetischer Überstrukturreflexe in Neutronen-Diffraktionsexperimenten belegt werden. Auch die feldinduzierte Entzwilligung der strukturellen/magnetischen Domänen wurde in Form einer Feld-Hysterese in der Intensität von magnetischen Reflexen mikroskopisch nachgewiesen. Zusä}tzlich verursacht das Magnetfeld einen Intensitätsanstieg einiger nuklearer Reflexe, sowie das Auftreten verbotener Reflexe, deren Feldabhängigkeit durch die gestaffelten Feldkomponenten bestimmt sind, wie sie durch das Modell von Kimura et al. festgelegt sind. Unterschiedliche Messgrößen (Thermische Leitfähigkeit, Wärmekapazität, Neutronen-Diffraktion) weisen zusätzliche Anomalien bei 6 T auf, deren Ursprung bislang ungeklärt ist. Der Einfluss von Substitutionen auf magnetische und unmagnetische Plätze wurde anhand der Ba(1-x)Sr(x)Co2V2O8 und BaCo1.9M0.1V2O8 (M= Mn, Ni, Cu, Mg) Serien untersucht. Die strukturelle Verzerrung sowie die magnetischen Anisotropien bleiben in allen Systemen nahezu unberührt. Daraus kann man auch auf den Erhalt der magnetischen Struktur schließen, was für SrCo2V2O8 bereits gezeigt wurde [100]. Für H||a weisen Hysteresen in der Tieftemperatur-Magnetostriktion nur indirekt auf einen Übergang von der Néel-Phase zu einer inkommensurablen Ordnung hin. Die Sr-Substitution führt zu einer leichten Reduktion der Ising Anisotropie, jedoch auch zu einer Zunahme der Ansiotropie in der Ebene, was durch einen systematischen Anstieg der Oktaeder-Verzerrung mit zunehmendem Sr-Gehalt verstanden werden kann. Die Reduzierung der Zwischenkettenabstände mit höherem Sr-Gehalt legt eine Veränderung von J^(perp)_(NN) und J^(perp)_(NNN) nahe, welche die vorhandene Frustration erhöht und somit den Effekt der Zwischenketten-Kopplung stört und die geringe Verringerung von T_N erklärt. Die Substitution von beispielsweise Cu und Mg führt hingegen zu einer drastischen Reduzierung von T_N. Die starke Unterdrückung von T_N für Mg, im Gegensatz zu Ni, identifiziert die NN Wechselwirkung als den dominanten Kopplungsmechanismus der endlichen Kettensegmente. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Niesen, Sandra Katharina niesen@ph2.uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-60268
Date:	January 2015
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute of Physics II
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Synthesis; Low-dimensional spin system; BaCo2V2O8; SrCo2V2O8 English
Date of oral exam:	13 January 2015
Referee:	Name Academic Title Lorenz, Thomas Priv.-Doz. Dr. Braden, Markus Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/6026