Elektrische und magnetische Ordnungsparameter im multiferroischen hexagonalen RMnO3-System

Abstract

Die Substanzklasse der hexagonalen Manganite RMnO3 bildet ein spannendes und herausforderndes Tätigkeitsfeld für Experimentatoren, Theoretiker und Anwendungs-orientierte Forscher. Durch die Koexistenz ferroelektrischer und magnetischer Ordnung in einem hexagonal-antiferromagnetischen System entstehen äußerst komplexe Phasendiagramme. Anwendungen als FeRAMs sind ebenso Ziel aktueller Forschung, wie gekoppelte ferroelektrisch-ferromagnetische Systeme.

Doch trotz des hohen technologischen Potenzials der Substanzklasse und obwohl sie seit Mitte der 60iger Jahre erforscht wird, ist das Wissen über sie noch bruchstückhaft - weder sind derzeit die nuklearen und magnetischen Ordnungsprozesse der hexagonalen Manganite detailliert beschrieben, noch sind sie theoretisch vollständig verstanden.

In dieser Arbeit erfolgt eine detaillierte Analyse der elektrischen und magnetischen Ordnungsparameter hexagonaler Manganite. Mit gruppentheoretischen Methoden lässt sich das Phasendiagramm der elektrischen Ordnung in einen paraelektrischen, einen antiferroelektrischen und einen gekantet-antiferroelektrischen Bereich einteilen. Dieses Einteilung wird mit Neutronendiffraktion an Pulverproben für R = Lu, Tm und Yb bestätigt.

Der magnetische Ordnungsprozess wird mit kombinierter Röntgen- und Neutronendiffraktion an Pulverproben, Neutronendiffraktion an Einkristallen, SQUID-Magnetometrie, Analyse der spezifischen Wärme an Pulverproben mit R = Y und Ho untersucht. Zur Überprüfung der Qualität der Pulverproben erfolgten weiterhin lichtmikroskopische Aufnahmen und Messungen der Korngrößenverteilung im Pulver mittels Laser-Kleinwinkelstreuung.

Die Substanzen zeigen zweidimensionale Vorordnung oberhalb der Néeltemperatur, bevor sie in den typischen Raumgruppen eines verzerrten trigonalen Antiferromagneten mit leichter Ebene ordnen. Bei magnetischem R koppeln über eine Dzyaloshinski-Moriya Wechselwirkung die Mn- und R-Untergitter. Für R = Ho führt dies zu einer Änderung der lokalen magnetischen Anisotropie am Mn-Platz und zu einem Tieftemperaturphasenübergang, wobei das Mn-Gitter mit zunehmender R-Ordnung mehr und mehr antiferromagnetisch verkantet. Die Kopplung der magnetischen an die elektrischen Ordnungsparameter schließlich bewirkt eine Verzerrung der Mn-Position, HoMnO3 weist einen echten magnetoelektrischen Phasenübergang bei tiefen Temperaturen auf.

Hexagonal manganites represent an interesting and challenging field of interest for experimentalists, theoreticians and engineers. Due to the coexistence of ferroelectric and magnetic domains in a hexagonal-antiferromagnetic system, very complex phase diagrams are formed. Applications as FeRAMs as well as coupled ferroelectric-ferromagnetic systems are objectives of today's science.

Despite the high technological potential of hexagonal manganites and despite they were investigated since the mid- sixities, the knowledge about hexagonal manganites is still fragmentary. The nuclear and magnetic ordering processes are neither described in detail, nor completly understood in theoretical physics.

In this work a detailed analysis of the electric and magnetic order parameters of hexagonal manganites is presented. The phase diagram of the electric ordering can be devided in a paraelectric, an antiferroelectric and a canted antiferroelectric temperature region by group theoretical methods, while neutron and x-ray powder diffraction on LuMnO, TmMnO3 and YbMnO3 confirm this result.

The magnetic ordering process is monitored by x-ray and neutron diffraction on powdered, neutron diffraction on single crystal samples, as well as SQUID-magnetometry and analysis of specific heat data of powdered samples with R = Ho, Y. Furthermore, the distribution of the grain size in the powdered samples was analysed by light optical microscopy and laser small angle scattering to check the quality of the samples.

Hexagonal manganites show two-dimensional short range order above Néel-temperature. Below Néel-temperature they order in the typical space groups of a distorted trigonal antiferromagnet with easy plane anisotropy. If R is magnetic, the R-sublattices and the Mn-sublattic couple via Dzyaloshinski-Moriya exchange. For R = Ho, this leads to a change of the local magnetic anisotropy of the Mn-position and to a low temperature phase transition, while the Mn-sublattice is canted increasingly with decreasing temperature. The coupling of the magnetic and electric order parameters leads finally to a distortion of the Mn-position, HoMnO3 shows a magnetoelectric phase transition at low temperatures.