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May 24, 2023

압력

과학 보고서 12권,

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 9647(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

압력에 의해 유발된 Mott 절연체에서 금속으로의 전이는 종종 3d 전자의 비편재화 및 고스핀에서 저스핀(HS-LS) 상태 전이와 관련된 자기 상호작용의 붕괴를 동반합니다. 여기서 우리는 전형적인 Mott 절연체 FeBO3의 고압 거동에 관한 오랜 논란을 다루고 높은 Mott 절연체의 전자 특성을 설명하기 위해 기존의 HS-LS 전이를 가정하는 표준 이론적 접근 방식이 부족함을 보여줍니다. 압력. 최대 150GPa의 압력까지 Mössbauer 분광법으로 보완된 고해상도 X선 회절 측정을 사용하여 \(R\overline{ 3 }c\) ~ 50-106 GPa의 넓은 압력 범위 내에서 단일 Fe 사이트를 갖는 결정 구조. 우리의 결과는 격자 위에 무작위로 분포된 HS/LS Fe 사이트 순서의 비 전통적인 협력적(그리고 아마도 동적) 특성을 암시하여 자기 모멘트가 좌절됩니다.

3차원 전이금속 화합물의 압력에 의한 전자 및 자기 상전이는 지난 수십 년 동안 광범위한 연구 주제였으며, 특히 고온 초전도성, 금속-절연체 전이, 거대 자기저항 및 중페르미온 거동1에 대한 이해와 관련이 있었습니다. 2,3,4. 주변 압력에서 이들 화합물 중 다수는 광범위한 종류의 Mott 절연체5에 속하며, 그 거동은 좁은 3d 밴드에 사용할 수 있는 제한된 범위의 운동 에너지에 의해 완화되지 않는 3d 전자 사이의 강력한 현장 쿨롱 반발의 결과입니다. 체계. 이러한 화합물에서 가장 흥미로운 전자 변환 중 하나는 3차원 전자 위치의 붕괴로 인해 Mott 절연체에서 금속으로의 상전이(IMT)가 발생하며 이는 일반적으로 자기 상호 작용의 붕괴를 동반합니다. Mott IMT는 다이아몬드 앤빌 셀(DAC) 기술과 함께 기존 및 싱크로트론 기반 Mössbauer 분광법(MS)을 사용하여 특히 철 함유 산화물(6 및 참조)에 대한 수많은 고압 연구의 대상이었습니다. Mott의 초기 개념은 운동 호핑과 3d 전자의 현장 쿨롱 반발의 상대적 중요성을 기반으로 합니다. 그러나 또한 결정장 분할의 변화 또는 고-저 스핀(HS-LS) 크로스오버로 인한 유효 상호 작용 강도의 감소가 Mott-Hubbard 전이를 유도할 수 있다고 제안되었습니다. 9,10,11,12. 결과적으로 Mott 전이에는 절연체에서 금속으로의 동시 및 국부적 스핀 상태 전이가 수반되어 격자 부피가 붕괴됩니다. 철 화합물의 경우 팔면체 환경에서 Fe3+ 이온에 대한 HS-LS 교차의 일반적인 압력 범위는 ~ 40-60 GPa6,11,12,13이며 결과적으로 이 압력보다 높은 물질은 일반적으로 금속 또는 좁은 간격의 반도체입니다. 추가 압축 시 금속으로 변합니다9,10,11,12. 그럼에도 불구하고 최근의 이론적 계산은 일반적으로 받아 들여지는 HS-LS 전이 모델과 다른 더 복잡한 시나리오가 많은 경우에 나타날 수 있음을 암시하며 압력 하에서 전자/자기 변환을 이해하는 데 상관 관계 효과의 결정적인 중요성을 시사합니다.

붕산철(FeBO3)은 넓은 범위의 가시광선에서 투명하고 실온에서 자발적인 자화를 갖는 몇 가지 재료 중 하나이므로 가시광선 또는 X선광 자기광학 장치 응용 분야에서 매력적입니다. 이는 Néel 온도 TN ~ 348K와 약한 강자성을 갖는 경사형 반강자성체입니다. 광학 분광학은 FeBO3가 ~2.9eV의 큰 에너지 갭을 갖는 Mott 절연체임을 보여줍니다(19 및 해당 참조). 공식적으로 FeBO3는 보다 일반적인 FeXO3 계열(예: FeFeO3, FeGaO3 등)의 일부로 간주될 수 있으며, Fe3+ 철 이온은 FeXO3의 전자 및 자기 특성을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. FeBO3에 대한 최근의 광범위한 고압 연구에 따르면 다른 많은 페라이트와 유사하게 ~ 50 GPa 부근에서 격자 부피의 상당한 감소를 뒷받침하고 갑작스러운 자기 붕괴 및 Mott 절연체와 일치하는 등구조적 상전이를 겪는 것으로 나타났습니다. -반도체로의 전환19,20,21,22. 그러나 FeBO3는 ~ 50 GPa21,22에서 HS-LS 전환이 확인된 후 매우 구체적인 특징을 보여줍니다. 가장 주목할 만한 점은 100 GPa19 이상에서 분명히 탄력적인 비금속 거동을 보인다는 것입니다. 이 동작은 예를 들어 ~ 50 GPa에서 고전적인 대역폭 제어 Mott 전이를 나타내는 FeGaO3 및 Fe2O3와 다르며, 자기 상호 작용의 완전한 붕괴를 특징으로 하며23 유사한 압력 범위에서 부위 선택적인 Mott IMT를 나타냅니다. 각기. 이와 관련하여 FeBO3와 그 고압 거동은 전자 전이에 대한 다양한 메커니즘을 문서화하는 가능한 예시 자료로서 특히 흥미롭습니다.