Correlation between Lattice Dynamics and Magnetism in the Multiferroic Manganites [Elektronische Ressource] / Sven Issing. Betreuer: Jean Geurts

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• Publié par: julius-maximilians-universitat_wurzburg
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 54
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 11 Mo

Extrait

Correlation between
Lattice Dynamics and Magnetism
in the Multiferroic Manganites
Dissertation zur Erlangung des
naturwissenschaftlichen Doktorgrades der
Julius-Maximilians-Universitat Wurzburg
vorgelegt von
Sven Issing
aus Wurzburg
Wurzburg, 2011Eingereicht am: ....................
bei der Fakultat fur Physik und Astronomie
1. Gutachter: Prof. Dr. J. Geurts
2. Gutachter: Prof. Dr. A. Pimenov
der Dissertation
1. Prufer: Prof. Dr. J. Geurts
2. Prufer: Prof. Dr. A. Pimenov
3. Prufer: Prof. Dr. F. Assaad
im Promotionskolloquium
Tag des Promotionskolloquiums: ....................
Doktorurkunde ausgehandigt am:Zusammenfassung
Thematik und Zielsetzung
GrundlegendesVerstandnisderphysikalischenZusammenhangeinnerhalbmultifunktiona-
ler Materialien im Hinblick auf spatere potentielle Anwendungen ist eines der Hauptziele
der heutigen Forschungsbemuh ungen in der Festkorperphysik. Im Wesentlichen geht es
dabei um das Ausnutzen von intrinsischen Kopplungse ekten, um zus at zliche Funktiona-
litat imVergleichzurheutigenaufMiniaturisierungvonhalbleiterbasiertenBauelementen
aufbauenden Informationstechnologie zu erreichen.
Die vorgelegte Dissertation zielt in diesem Themengebiet auf die systematische Unter-
suchung der Kopplungse ekte zwischen Kristallgitterdynamik und Magnetismus in den
multiferroischen Manganaten ab. Konkret geht es um das Modelsystem der multiferroi-
schen Selten–Erd–Manganate RMnO mit orthorhombischer Pnma–Struktur. Die zu die-3
semZweckverwendetenexperimentellenTechnikenwarenRamanundFourier–Transform
Infrarot (FT–IR) Spektroskopie, mit deren Hilfe alle optisch aktiven Kristallgitterschwin-
gungen dieser Systeme spektroskopiert werden konnten. Zur Untersuchung der Kopp-
lungse ekte wurden die spektroskopischen Experimente polarisationssensitiv und unter
Variation der Probentemperatur durchgefuhrt, um insbesondere Renormalisierungse ek-
te der Gitterschwingungen im Temperaturbereich magnetischer Phasenub ergang e nach-
weisen zu konnen. In Verbindung mit gitterdynamischen Rechnungen, die auf der Dich-
tefunktionaltheorie (DFT) basieren, wurden zwei Kopplungse ekte systematisch unter-
sucht: Spin–Phonon Kopplung (SPC) sowie Elektromagnon–Phonon Kopplung (EMPC).
Die Ergebnisse sind im Folgenden zusammengefasst.
Ergebnisse: Gitterdynamik der stochiometrischen und dotierten
Selten–Erd Manganate
Grundlage fur weitergehende Analysen der Kopplungse ekte ist die systematische Unter-
suchung der Gitterdynamik der beiden verwendeten einkristallinen Probenserien, also der
stoc hiometrischen RMnO (R = Eu, Gd, Tb) Serie sowie der dotierten Eu Y MnO3 1 x x 3
(0x 0.5) Serie. Um potentielle Beein ussung durch Korrelationen der Gitterschwin-
gungen mit den magnetischen Eigenschaften in diesem Fall auszuschlie en, wurden die
3Experimente bei Raumtemperatur durchgefuhrt, d.h. weit oberhalb des Temperaturbe-
reichs der magnetisch geordneten Phasen.
Als Vorstufe zu experimentellen Untersuchungen wurden gitterdynamische Rechnungen
basierendaufDichtefunktionaltheorie(DFT)amSystemLaMnO durchgefuhrt.Aufdiese3
Weise konnten theoretische Daten fur die Auslenkungsmuster der jeweiligen Phononen-
moden gewonnen werden, die anschlie end f ur eine systematische Auswertung der Kopp-
lungse ekte genutzt wurden.
Der Ausgangspunkt einer Analyse der Gitterdynamik ist die Modenzuordnung aller expe-
rimentell beobachteten Raman und infrarot aktiven Phononen. Zu diesem Zweck wurde
GdMnO herangezogen,aufGrundseinerbiszumoptischenGradaufpoliertenb–cutPro-3
benober ac heunddamitverbundenengutenErfullung deroptischenAuswahlregelnsowie
der zumindest fur die Raman–Spektren gegebenen Mog lichkeit, mit bereits publizierten
+Messungen an polykristallinen GdMnO zu vergleichen [IAL 06]. Zwischen beiden ergab3
sicheinesehrguteUbereinstimmungbezuglichderPhononenfrequenzenundderErfullung
der optischen Auswahlregeln. Analog zu den Raman Spektren wurde eine Modenzuord-
nungmitHilfederpolarisationssensitivenRe ektivit atvonb–cutGdMnO vorgenommen. 3
Die optischen Auswahlregeln in diesem System erlauben den Zugang zu Phononen mit
B sowie B Symmetrie. Insgesamt ergab sich fur die Zahl der Phononen mit B und1u 3u 1u
B Symmetrie genau die Zahl, die von der Gruppentheorie vorhergesagt wird. Zusatzlich3u
konnten die durch Fits erhaltenen Phononenparameter, wie Resonanzfrequenz, Linien-
breite und ionische Plasmafrequenz, qualitativ verglichen werden mit Werten, die von
+Schmidt et al. [SKR 09] durch Messungen an TbMnO gewonnen wurden. Zusammen3
mit den Raman aktiven Phononen konnte so erstmals eine komplette Analyse der Git-
terdynamik von GdMnO durchgefuhrt werden.3
Nach der systematischen Modenzuordnung konnte anschlie end (i) sowohl der Ein uss
3+eines kompletten Ersatzes der R Ionen in der stochiometrischen RMnO (R = Eu, Gd, 3
Tb) Serie (ii) als auch der Ein uss von Dotierung in der Eu Y MnO (0 x 0.5)1 x x 3
3+ 3+Serie, in der Eu durch Y ersetzt wird, untersucht werden. Dies geschah in der Form
einer vergleichenden Analyse der Veranderungen der Raman Spektren sowie der Re ekti-
vitat beider Probenserien.
Bezuglic h der Raman Spektren der RMnO Serie konnte folgendes beobachtet werden:3
Auf der einen Seite wurden fur Phononen, die im wesentlichen aus Verschiebungen der
2O Ionen senkrecht zur MnO (ac) Ebene bestehen, deutliche Frequenzverschiebun-2
3+gen hin zu gro eren Frequenzen bei einer Reduzierung des R Radius beobachtet, was
auf die mit der Reduzierung einhergehende Verminderung des Mn–O–Mn Verkippungs-
winkels zuruc kgefuhrt wurde. Auf der anderen Seite zeigte beispielsweise die symme-
trische Streckschwingung der MnO Oktaeder innerhalb der MnO (ac) Ebene nahezu6 2
keine Abhangigkeit bezuglic h einer Veranderung dieses Winkels. Insgesamt konnten al-
le beobachteten Frequenzverschiebungen der Raman aktiven Phononen in dieser Wei-
se durch die zuvor theoretisch berechneten Auslenkungsmuster der jeweiligen Phononen
vollstandig erklart werden. Ferner wurden Mische ekte der A (1) und A (3) Moden in g g+guter Ubereinstimmung mit der Literatur [IAL 06] nachgewiesen.
Bei Betrachtung der Re ektivit at und somit der infrarot aktiven Phononen wurde zur
besseren Ubersichtlichkeit eine Klassi zierung entsprechend der Auslenkungsmuster und
der Phononenfrequenzen benutzt, um die beobachteten Trends in Abhangigkeit vom vor-
3+liegenden R Ion zu erklaren. Diese konnen mit Hilfe des Modells eines einfachen har-
monischen Oszillators verstanden werden. In diesem Modell sind die zwei fur die Pho-
nonenfrequenz entscheidenden Faktoren die reduzierte Masse der beteiligten Ionen sowie
die Kraftkonstanten der modulierten Bindungen des jeweiligen Phonons. Mit Hilfe dieses
Modells konnten unter Verwendung von quantitativen aus der Literatur entnommenen
3+Werten fur die Gitterkonstanten und der jeweiligen R Ionenmasse alle beobachteten
Trends innerhalb der RMnO Serie konsistent erklar t werden.3
Die dotierte Eu Y MnO Serie zeigte im Wesentlichen dieselben Trends. Bezuglic h der1 x x 3
Raman aktiven Moden wurde ein nahezu identisches Verhalten wie bei der RMnO Serie3
–diesmalinAbhangigkeitvomDotiergradx–beobachtet,d.h.positiveFrequenzverschie-
bungenundMische ektederA (1)undA (3)Moden.DieinfrarotaktivenModenzeigteng g
Abweichungen vom Verhalten der RMnO Serie und zwar bei den Moden mit starker Be-3
3+ 3+teiligung der Eu bzw. Y Ionen. Auch diese E ekte konnten mit Hilfe des Modells des
einfachen harmonischen Oszillators erklar t werden. Ein weiterer Unterschied zwischen
dotiertem Eu Y MnO und RMnO ist die Reduzierung der dipolaren Aktivitat der in-1 x x 3 3
3+frarotaktivenModenmitderniedrigstenFrequenzbeisteigenderY Dotierung.Dadieser
E ekt jedoch auf die niederfrequentesten infrarotaktiven Moden beschr ank t ist, konnte
auch die dotierte Eu Y MnO Serie als ebenso geeignet fur eine Analyse der Korre-1 x x 3
lationse ekte zwischen Kristallgitterdynamik und Magnetismus wie die st ochiometrische
RMnO Serie angesehen werden. Diese E ekte wurden im Anschluss betrachtet.3
Ergebnisse: Spin–Phonon Kopplung
Der erste systematisch analysierte Korrelationse ekt war die Spin–Phonon Kopplung
(SPC).Dieseau ertsichalseineRenormalisierungderPhononfrequenzenbeim Ubergang
indieTemperaturregiondermagnetischgeordnetenPhasen.DerUrsprungderSPCistdie
dynamische Modulation der magnetischen Austauschwechselwirkung durch die entspre-
chende Phononmode. Daher ist die sich ergebende Frequenzrenormalisierung korreliert
mitderzunehmendenStarkedesmagnetischenAustauschsbeifallenderTemperatur.Ob-
wohldieserE ektbereitsinRMnO Systemenmitrelativgro emSelten–Erd–Ionenradius3
3+ 3+ 3+(R = La ...Sm ) nachgewiesen wurde, stand eine systematische Untersuchung der
SPC in den multiferroischen Manganaten noch aus.
Die Analyse der Abhangigkeit der Starke und der Einsatztemperatur der Renormalisie-
rungse ekte von der jeweiligen betrachteten Phononmode zeigte, dass diese im wesentli-
chen durch den magnetischen Austausch der MnO Oktaeder innerhalb der MnO (ac)6 2
Ebene verursacht wird. Dies konnte unter Ausnutzung der Modensymmetrie gezeigt wer-
den, da im Fall der Raman aktiven Phononen die Moden mit hauptsac hlicher Modulationder Mn–O–Mn Bindungen innerhalb dieser Ebene wesentlich star kere SPC E ekte zeigen
als diejenigen mit einer Modulation senkrecht zu dieser Ebene bzw. innerhalb der RO
(ac) Ebene. Die Untersuchung der infrarot aktiven Phononen wiederum lie die Schluss-
folgerung z