MgB2 ve bazı 3-d geçiş element bileşiklerinin moleküler ve manyetik özelliklerinin incelenmesi

Abstract

Bu çalışmada magnezyum diborat (MgB2) yüksek sıcaklık süperiletken örneği ve değişik organik maddeler katkılanmış organo-metalik geçiş-metal hekzatiyofosfat MPS3 (M=Mn, Fe) FePS3 ve MnPS3 yarıiletken örneklerinin manyetik özellikleri Elektron Spin Rezonans (ESR) ve (Superconducting Quantum Interference and Device) SQUID teknikleri kullanılarak araştırıldı. Örneklerin manyetik özellikleri sıcaklığa ve mikrodalga frekansına ve uygulanan manyetik alanın şiddetine bağlı olarak incelendi. Mikrodalga ısıtma tekniği ile sentezlenen MgBx örneğinin X-ışını kırınım desenlerinden örneğin %75 MgB2 ana fazının yanında %20 MgO ile %5 MgB4 fazları içerdiği anlaşılmıştır. Ayrıca, SQUID ölçümlerinden süperiletkenlik fazına geçiş sıcaklığının literatürde olduğu gibi 39 K olduğu açık bir şekilde görülmüştür. Bu sonuç ESR sinyallerinin şiddetinde ve çizgi genişliğinde de kendini göstermiştir. ESR sinyalinin kaynağı serbest iletkenlik elektronları ya da holelerdir. Tc sıcaklığının altında ESR sinyalinin şiddetindeki büyük düşüş, kısmen Tc nin altında mikrodalganın perdelenmesi (screening effect) ve kısmen de süper-iletken fazda azalan sıcaklıkla giderek artan Cooper çiftleniminden kaynaklanan paramanyetik iletken taşıyıcıların sayısındaki azalmaya atfedildi. ESR spektrumunun g tensörünün hareketsel olarak ortalanmasından kaynaklanan bir izotropik yapıya sahip olduğu ve buna da hollerin sebeb olduğu anlaşıldı. Tc sıcaklığının üzerinde ESR çizgi genişliği ve şiddet eğrilerindeki anlamlı keskin değişiklikler MgB2 nin elektronik yapısındaki değişikliklere işaret etmektedir. Özellikle 215 K civarında çizgi genişliği eğrisindeki adıma benzer değişiklik dikkate değerdir. Çizgi genişliği ve şiddet eğrileri gayet uyumlu ve belirgin sıcaklıklarda aynı anda değişmektedirler. Bu değişiklikler de MgB2 nin elektronik ya da kristalografik yapısındaki değişikliklere atfedilebilir. Fenil katkılanmış FePS3 (Feo.9PS3(Phen)o.4) örneğinin Elektron Spin Rezonans (ESR) ölçümleri dış manyetik alanı, örneğin sıcaklığını ve mikrodalgagücünün frekansını değiştirerek yapıldı. Oda sıcaklığında yaklaşık olarak 40ü G genişliğe sahip güçlü ve tek bir mikrodalga soğurma sinyali gözlendi. ESR spektrumlarının kayda değer bir şekilde sıcaklığa bağlı olduğu görüldü. Hemen hemen bütün ESR parametreleri, çizgi genişliği, sinyal şiddeti ve bununla orantılı olan mıknatıslanma bazı kritik sıcaklıklarda değişiklikler göstermektedirler. Bunlar arasındaki uyumluluk bu malzemede bazı manyetik faz geçişlerine delil olarak algılanabilir. Aynı zamanda bazı sıcaklık aralıklarında örnekte karışık manyetik fazların bulunduğu gözlendi. Açıkça, ana örnek olan FePS3 (Tc=120 K)'ün manyetik yapısı katkılama (interkalasyon) sonrasında değişmiştir. BEDT-TTF(ET) katkılanmış MnPS3 örneğinden X-bantta bütün sıcaklık aralıklarında yapılan ESR ölçümlerinde güçlü, tepeden tepeye çizgi genişliği 80 G olan dar ve serbest elektronun g-değeri olan 2.0023 'e çok yakın etkin g-değeri g=2.009 a sahip tek bir mikrodalga rezonans soğurma sinyali gözlendi. Etkin g- -1-9 değeri için belirlenen 2 değeri genellikle Mn+2 iyonu gibi S durumundaki bir iyondan beklenen değerdir. Bütün ESR parametreleri, g-değeri, çizgi genişliği, sinyal şiddeti ve yanısıra mıknatıslanma 150 K, 100 K, 50 K ve 30 K sıcaklıklarında kayda değer değişiklikler sergilemektedirler. Parametrelerin bu sıcaklıklardaki değişiklikleri bu malzemedeki karışık manyetik fazların işareti olarak düşünülebilir. 30 K'mn altında sıcaklığın azalmasıyla çizgi genişliği azalırken mıknatıslanma artmaktadır. Bu ise ferromanyetik faza doğru ikinci bir faz geçişini belirtir. ESR sinyalinin çizgi genişliği 40 K civarında etkili bir şekilde değişmektedir. Bütün bu sonuçlar katkılanmış örneğin manyetik özelliklerinin ne 40 K'nın altında doğal (spontaneous) mıknatıslanma gösteren katkı öncesindeki Mno.86PS3(bipy)o.56'ye ne de 78 K'nın altında antiferromanyetik davranış sergileyen asıl M11PS3 'e benzemektedir. BEDT-TTF(ET) katkılanması sonucunda asıl örnek olan M11PS3 ün kritik sıcaklığı 78 K dan 50 K ya değişmiş ve susseptibilite eğrisinde ilave bir değişiklik gözlenmiştir. Yani katkılama sonucu örneğin manyetik yapısı önemli oranda değişmiştir.In this study, magnetic properties of a high-Tc superconductor magnesium diborate (MgB2), transition metal phosphorous trichalcogenides (hexathiohypodiphosphates) MPS3, (M= Mn, Fe,) semiconductors which are intercalated with different organic compounds have been investigated by using Electron Spin Resonance (ESR) and (Superconducting Quantum Interference and Device) SQUID techniques. MgB2, a high-Tc superconductor, has been studied by Electron Spin Resonance (ESR) techniques at the temperature range of 7-300 K. Polycrystalline powders consisting of MgB2, MgO and MgB4 phases were diluted and oriented in paraffin by applying an external magnetic field of 15 kG. A very narrow (2.5 G), strong, and isotropic signal that corresponded to almost free electron g-values was observed at all temperatures. Both the signal intensity and line width were observed to exhibit strong temperature dependence below Tc. The intensity of the ESR spectra, which corresponds to dc susceptibility, generally obeys the Curie law in this temperature range. However, some critical temperatures (approximately 215, 190, 150, and 39 K) were evident from both intensity and line width curves. While the ESR line is strongly broadened, the signal intensity significantly start to increase just below T=39 K (corresponding to a transition temperature from normal to super conducting state), passes through a broad maximum around 30 K and then shows a sharp decrease as the temperature is decreased further. The origin of the minor changes both in the intensity and the line width curves at other (higher) critical temperatures are not clear yet. In fact, the change at 215 K was observed to be meta- stable. These minor changes might be taken as signs for changes of local crystalline field symmetry around weakly localized conduction electrons or holes, which are the sources of the ESR signal. The temperature and frequency dependences of electron spin resonance parameters of polycrystalline powders of intercalated Feo.9 PS3 (Phen)o.4 have been studied in the temperature range 9-300 K. A very strong and relatively broad single ESR peak in X-, K-and Q-band spectra has been observed. However, a very sharpIV decrease in X-band ESR signal intensity and accompanying line broadening below 15 K indicates a very strong spin frustration at low temperatures. K-and Q-band spectra show almost a linear dependence of resonance field on frequency. From the analysis of the frequency-dependent resonance field of ESR signal, the effects of the internal field is refined, and the spectroscopic g factor and the induced internal field were determined to be 1.9576 and 197 G, respectively. Also very small non- linearity in H versus frequency curve was attributed to the external field dependency of the induced internal field through the magnetic susceptibility. Some small and relatively smooth changes at about 40, 80 and 160 K appeared as well, indicating some kind of magnetic anomalies. Frequency and temperature dependence of magnetic properties of BEDT-TTF intercalated molecular magnet MnPS3 have been studied by electron paramagnetic resonance (EPR) technique at X-, K-, and Q-bands. A very strong and relatively narrower (than expected 400-500 G from overlapped six hyperfme transitions of paramagnetic Mn2+ ion) single EPR peak in X-band spectra has been observed at all the temperature range, implying collective precession (exchange coupling) of Mn2+ spins. The EPR signal intensity and line width were observed to change dramatically at about 45 K, indicating a magnetic phase transition. However, a very sharp decrease in EPR signal intensity and accompanying line broadening below Tc indicates a very strong spin canting (and frustration) at lower temperatures. Some small and relatively smooth changes at about 30,100 and 185 K are appeared as well. An almost linear dependence of resonance field to frequency has been observed for K-and Q-band spectra. By the analysis of the frequency dependent resonance field of EPR signal, the effects of the internal field is refined and thus the spectroscopic g factor and internal field were determined to be g= 1.9773 and Hj= 104 G, respectively. However, a very small non-linearity in H versus frequency curve was attributed to the external field dependency of the internal field through magnetic susceptibility.