鏈狀自旋鐵電體系結構研究取得新進展

中國科學技術大學教授孫學峰研究組的博士史俊藉助穩態強磁場實驗裝置變溫X射線衍射儀（XRD）和拉曼光譜儀設備，對鏈狀自旋體系Ca3Co2-xMnxO6的電磁行為、鐵電性質、結構變化等進行了深入的研究，並取得了新進展。

由於在電磁、自旋電子學、磁存儲等領域具有潛在應用價值，多鐵材料引起了廣泛的關注。Ca3Co2-xMnxO6(x ≈ 1)是一個典型的磁場驅動鐵電體系。它的結構是由沿著c方向的CoO6三稜鏡結構和MnO6八面體交替共面而形成的一維自旋鏈，Co2+和Mn2+都處於高自旋態。由於很強的鏈內耦合作用和類伊辛各向異性作用，這一體系可以用一維伊辛模型來描述。在鏈內，由於近鄰的鐵磁耦合和次近鄰的反鐵磁耦合的競爭，導致自旋呈現「向上-向上-向下-向下」的反鐵磁結構。交替的Co2+和Mn2+離子形成磁有序結構打破反演對稱性，從而在16.5K誘導沿著c方向的電極化。當沿著c方向施加磁場，電極化被破壞。一種可能的解釋是由於「向上-向上-向下-向下」的自旋有序結構改變為「向上-向上-向上-向下」的自旋構型，從而破壞了電極化。而另一種在10T下抑制電極化的機制則認為是磁場導致Mn2+離子的自旋反轉到ab面內所導致。此外，輕微的破壞Co/Mn離子有序，會大大增強體系的鐵電性。實驗證明，在這一體系中，離子有序和自旋阻挫對增強鐵電性質具有重要的作用。因此，對偏離x=1的Ca3Co2-xMnxO6的電磁性質研究，對增強該體系的鐵電性質具有重要意義。

在本工作中，研究人員發現，和母體Ca3CoMnO6相比，沿著自旋鏈的方向（即c方向），電極化的量級和轉變溫度都提高了數倍。此外，當磁場垂直於鏈時探測到了電極化。這是在Ca3Co2-xMnxO6體系中第一次從實驗上探測到垂直於c方向的電極化。通過低溫XRD，對其低溫的結構進行了詳細研究，發現Co2+O6三稜鏡結構發生了Jahn-Teller畸變。對於x=1的母體樣品，其晶胞在兩個方向的變化是相等的，而對於x=0.75和0.25的樣品，在各個方向上發生了不對稱的變化。通過低溫Raman光譜，研究人員對聲子的振動模式進行了研究，發現Jahn-Teller畸變破壞了Co2+O6三稜鏡結構的C3對稱性，從而導致了沿著和垂直c軸方向的電極化。通過結構和聲子模式的研究表明，Ca3Co2-xMnxO6中鐵電性的形成的原因可能和晶格的Jahn-Teller畸變有關。

該研究成果發表在國際期刊《物理評論B》上【Physical Review B96, 064112 (2017); doi: 10.1103/PhysRevB.96.064112】。

鏈狀自旋體系Ca3Co2-xMnxO6隨溫度變化的XRD譜和Raman譜

Ca3Co2-xMnxO6中晶格的結構的Jahn-Teller畸變和Raman振動模式的改變

來源：中國科學院合肥物質科學研究院

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