Tunable magnetic phase transition in thulium–samarium orthoferrite single crystals

正铁氧体 材料科学 自旋电子学 兴奋剂 凝聚态物理 单晶 离子 铁磁性 磁场 结晶学 磁化 光电子学 物理 化学 无机化学 量子力学
作者
Huan Song,Zhiqiang Sun,Xiaoxuan Ma,Wanting Yang,Chenfei Shi,Baojuan Kang,Rongrong Jia,Shixun Cao
出处
期刊:Ceramics International [Elsevier]
卷期号:49 (23): 39174-39179
标识
DOI:10.1016/j.ceramint.2023.09.260
摘要

Spintronics and condensed matter physics are in pursuit of materials that can serve as carriers for novel quantum devices. Antiferromagnetic rare earth orthoferrites (RFeO3, where R is rare earth or Y), are potential functional materials for magnetic information processing. They exhibit temperature-controlled spin reorientation transition (SRT) and magnetic field/temperature-induced spin switching (SSW) properties. As such, RFeO3 is expected to be used in spintronic devices that can easily control the spin. With the advancement of research, the co-doping of rare earth ions has emerged as a prominent area of investigation in RFeO3. In this work, we have grown a series of Tm1-xSmxFeO3 (TSFO, x = 0, 0.2, 0.3, 0.4) single crystals via a four-mirror optical floating zone furnace. Crystal axes and single phase of these single crystals were determined using Laue back reflection camera and X-ray diffractometer. We observed that the doping of Sm ions can effectively regulate the spin reorientation temperature of the parent material TmFeO3. Both type-I and type-II SSW have been observed when the doping rate x is 0.2 or 0.4, perfectly integrating the magnetic properties of TmFeO3 and SmFeO3 single crystals. Furthermore, the spin switching in TSFO (x = 0.2, 0.3, 0.4) can be manipulated by applying low magnetic fields with tens of Oe. On the other hand, when the doping rate x reaches 0.4, the magnetic compensation phenomenon and the Néer temperature of rare earth ions occurred. The super-exchange interaction between R3+ and Fe3+ magnetic sublattices leads to these interesting phenomena.
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