Caracterización de las propiedades estructurales, eléctricas y magnéticas de las perovskitas dobles Ca2TiMO6 M= (Fe, Ru)

Abstract

Los materiales tipo perovskita Ca₂TiFeO₆ y Ca₂TiRuO₆ exhiben propiedades prometedoras para aplicaciones en espintrónica, con comportamientos estructurales, electrónicos y magnéticos diferenciados. Ambos materiales cristalizan en un grupo espacial monoclínico P2₁/n, formando superestructuras ordenadas mediante la disposición catiónica. Ca₂TiFeO₆ presenta comportamiento ferromagnético, con medio-metalicidad originada por fuertes hibridaciones entre los orbitales 4d-Fe y los estados 2p-O, lo que da lugar a una conductividad metálica para una orientación de espín, mientras que la otra se mantiene semiconductora con un band gap 2.3 eV, influenciada por la contribución de estados 3d-Fe y 3d-Ti en la banda de conducción. Ca₂TiRuO₆ muestra irreversibilidad magnética y una débil histéresis ferromagnética, atribuida al acantamiento de los espines Ru⁴⁺ debido a las distorsiones octaédricas, junto con un band gap de 0.89 eV, lo que confirma su comportamiento semiconductor. Los análisis de transporte eléctrico revelan transporte por salto de rango variable a bajas temperaturas y salto de pequeño polarón a altas temperaturas, con curvas I-V que exhiben comportamiento tipo varistor. Los cálculos de estructura de bandas confirman la medio-metalicidad, con orbitales 4d-Ru⁴⁺ cruzando el nivel de Fermi en la configuración de espín descendente, mientras que la polarización de espín ascendente se mantiene semiconductora, gobernada por fuertes efectos de acoplamiento espín-órbita. Estos hallazgos destacan la multifuncionalidad de ambos materiales, con Ca₂TiFeO₆ exhibiendo una robusta medio-metalicidad ferromagnética, mientras que Ca₂TiRuO₆ combina medio-metalicidad con mecanismos de transporte semiconductores, lo que los posiciona como candidatos valiosos para futuros dispositivos espintrónicos. (Texto tomado de la fuente).

The perovskite materials Ca₂TiFeO₆ and Ca₂TiRuO₆ exhibit promising properties for spintronics applications, with distinct structural, electronic, and magnetic behaviors. Both materials crystallize in a monoclinic P2₁/n space group, forming ordered superstructures through the cation arrangement. Ca₂TiFeO₆ demonstrates ferromagnetic behavior, with half-metallicity arising from strong 4d-Fe and 2p-O hybridizations, leading to metallic conductivity for one spin orientation, while the other remains semiconducting with a band gap of 2.3 eV, influenced by 3d-Fe and 3d-Ti states in the conduction band. Ca₂TiRuO₆ presents magnetic irreversibility and weak ferromagnetic hysteresis, attributed to Ru⁴⁺ spin canting due to octahedral distortions, alongside an optical band gap of 0.89 eV, confirming semiconducting behavior. Electrical transport analyses reveal variable range hopping at low temperatures and small polaron hopping at high temperatures, with I-V characteristics showing varistor-type behavior. Band structure calculations confirm half-metallic behavior, with 4d-Ru⁴⁺ orbitals crossing the Fermi level in the spin-down configuration, while spin-up polarization remains semiconducting, governed by strong spin-orbit coupling effects. These findings highlight the multifunctionality of both materials, with Ca₂TiFeO₆ displaying robust ferromagnetic half-metallicity, whereas Ca₂TiRuO₆ combines half-metallicity with semiconducting transport mechanisms, making them valuable candidates for future spintronic devices.