Estudio de efectos competitivos en manganitas tipo La(1-x)Dy(x)Mn(1-y)Zn(y)O(3)

Abstract

En este trabajo se reporta un estudio sistemático de la estructura y propiedades magnéticas por sustitución simultánea en los sitios A y B de manganitas La(1-x)Dy(x)Mn(1-y)Zn(y)O(3) policristalinas. Los dopajes son realizados con Dy y Zn en los sitios La y Mn, respectivamente. Las sustituciones se realizaron en el rango 0.00 - 0.10 para ambos sitios. Se discuten varios efectos competitivos para explicar las propiedades físicas que conducen a la coexistencia de fases a alta temperatura: clústers ferromagnéticas (FM) en una matriz paramagnética (PM). En todas las muestras se observa, además una transición FM-PM en un rango de temperatura 130 - 190 K. Se observó que el exceso de oxígeno promueve el cambio de un estado fundamental antiferromagnético del LaMnO(3) no estequiométrico a un estado ferromagnético. Por su parte, la sustitución de Zn cambia la valencia de una cantidad correspondiente de iones Mn de 3+ a 4+ y por tanto, reduce en el material la distorsión ortorrómbica de Jahn-Teller e induce interacciones ferromagnéticas de doble intercambio. Al mismo tiempo, la dilución de Zn de la red de Mn debilita localmente el magnetismo e induce desorden en las cadenas Mn-O-Mn. El Dy con un radio significativamente menor que el La, por un lado incrementa también la distorsión ortorrómbica de la estructura de la perovskita y, por tanto, reduce las interacciones ferromagnéticas entre Mn(3+) y Mn(4+); por otra parte introduce desorden magnético en el plano MnO, lo cual localiza los electrones eg, induciendo la formación de clústers FM de doble intercambio Mn(3+) - Mn(4+) La coexistencia de fases FM-PM de alta temperatura fue estudiada a partir de la magnetización y localmente a partir de medidas de resonancia paramagnética electrónica (EPR). El estudio de la conductividad eléctrica aportó a la comprensión del intercambio eléctrico en este sistema de fases magnéticas coexistentes, evidenciando un comportamiento conocido como “cuello de botella”, debido a la localización de electrones eg en torno a los pares Mn(3+) y Mn(4+). Los resultados experimentales fueron evaluados en el rango T>Tc, empleando el modelo de Curie -Weiss para temperaturas T>T* (en donde el inverso de la susceptibilidad χ^(-1) vs T deja de ser lineal). El modelo de Heisenberg efectivo se usó para evaluar la región no lineal del inverso de la susceptibilidad χ^(-1) vs T mediante una expansión a alta temperatura y un modelo de salto adiabático de pequeños polarones fue empleado para evaluar la conductividad a alta temperatura lo cual permite conectar las propiedades eléctricas y magnéticas del material. (Texto tomado de la fuente)

This work reports on systematic studies of structural and magnetic properties by simultaneous substitution in the A and B sites of polycrystalline manganites La(1-x)Dy(x)Mn(1-y)Zn(y)O(3). Dy and Zn doping is performed at the La and Mn sites respectively, in the range 0.0 - 0.1. Although there exist already many substitution studies in perovskite manganites, the simultaneous substitution experiments on both La and Mn sites in the low-doped regime are not so common and provide important insight into the subtle balance of various effects acting on crystal structure and magnetism. Several competing effects are discussed to explain the physical properties: Oxygen excess drives the antiferromagnetic ground state of stoichiometric LaMnO(3) into a ferromagnetic state. Zn substitution changes the valence of a corresponding amount of Mn ions from 3+ to 4+ and, hence, reduces the orthorhombic Jahn-Teller distortion and induces ferromagnetic double-exchange interactions. At the same time the Zn dilution of the Mn lattice locally weakens magnetism and induces disorder in the Mn-O-Mn chains. Dy with significantly smaller radius than La strengthens the orthorhombic distortion of the perovskite structure and, thus, reduces ferromagnetic interactions between Mn(3+) and Mn(4+). At the same time, the large magnetic moment of Dy randomly polarizes the magnetic Mn lattice in favour of ferromagnetism. The formation of local ferromagnetic clusters due to substitution is discussed.

The FM-PM phases coexistence at high temperature is globally studied by magnetization measurements and locally by electronic paramagnetic resonance (EPR) measurements. The study of electrical conductivity exchange in this system evidences the named "bottleneck" behavior, due to the movements of e_g electrons from the Mn(3+) and Mn(4+) pairs to the net. The experimental results are carried out in the temperature range T> Tc. The Curie-Weiss model is used at temperatures T> T* (where the inverse of susceptibility χ^(-1) vs T is linear). The effective Heisenberg model is used to evaluate the non-linear region of the inverse of susceptibility χ^(-1) vs T ( T< T*) , i.e. by means of a high temperature expansion series. Finally, an adiabatic jump model of small polarons is used to evaluate the conductivity at high temperature which allows to connect the electrical properties and magnetic properties.