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Title: Propriedades Estruturais e Magnéticas da ludwigita Co5Sn(O2BO3)2
Authors: Contreras Medrano, Cynthia Paola
metadata.dc.contributor.advisor: Sánchez Candela, Dalber Ruben
Issue Date: 2013
Citation: CONTRERAS MEDRANO, Cynthia Paola. Propriedades estruturais e magnéticas da ludwigita Co5Sn (O2BO3)2. Niterói, 2013. 112 f. Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal Fluminense, Instituto de Física, Niterói, 2013.
Abstract: Os oxiboratos exibem uma grande variedade de propriedades magnéticas e de transporte como resultado de fortes efeitos de correlação e baixa dimensionalidade. Nesta tese apresentamos um estudo detalhado das propriedades estruturais e magnéticas da ludwigita Co5Sn(O2BO3)2. Conseguimos sintetizar monocristais de Co5Sn(O2BO3)2 de alta qualidade com o objetivo de obter informações relevantes sobre suas propriedades físicas. Este estudo foi realizado através de medidas magnéticas, termodinâmicas, de difração de raios-X e de espectroscopia Mössbauer do 119Sn numa ampla faixa de temperatura. A estrutura do Co5Sn(O2BO3)2 é composta por duas subunidades na forma de escadas de 3 pernas. Um subsistema é constituído por íons de Co nos sítios 3-1-3 e o outro constituído por íons de Co nos sítios 4-2-4. Os dados cristalográficos e aqueles obtidos por espectroscopia Mössbauer mostraram que os átomos de Sn ocupam o sítio cristalográfico mais simétrico (sítio 4) e exibem um estado de oxidação 4+. Cálculos do número de oxidação, usando o método de soma de ligações de valência, permitiram-nos atribuir a valência 2+ para todos os íons de Co. Assim, a fórmula química de nossa amostra, obtida a partir de experimentos de raios-X e espectroscopia Mössbauer, é Co2+ 5 Sn 4+ 1 (O2BO3)2. Estes resultados tornam o Co5Sn(O2BO3)2 único entre as ludwigitas estudadas até hoje. Esta é a única ludwigita dopada num único sítio (sítio 4) com todos os íons de Co possuindo o mesmo estado de oxidação (2+). Medidas de raios-X em monocristais de Co5Sn(O2BO3)2 não mostraram nenhuma transição estrutural até 110 K. Este composto mostra um ordenamento magnético de longo alcance a baixas temperaturas. As medidas de espectroscopia Mössbauer, susceptibilidade ac e calor específico em função da temperatura mostraram claramente o início de um ordenamento magnético em TN=81,5 K. Embora uma temperatura de Curie-Weiss negativa, (TETA)cw = -32,5 K, indique a presença de interações antiferromagnéticas no composto, as curvas de histerese abaixo de TN mostram uma magnetização remanescente apontando para uma ordem ferro-, ferri-magnética ou de ferromagnetismo fraco. Os resultados dos experimentos de espectroscopia Mössbauer do 119Sn evidenciam um acoplamento ferromagnético entre os íons de Co nos sítios 2 ao longo do eixo c, com os momentos magnéticos apontando na direção da componente principal do gradiente de campo elétrico do octaedro. A partir dos dados de espectroscopia Mössbauer e magnetização, uma estrutura tipo ferromagnética é proposta para o estado magnético fundamental do composto. Este modelo é consistente com um cálculo simplificado de interações de supertroca realizado para o Co3O2BO3 que resulta numa orientação tipo ferromagnética dos momentos magnéticos do Co no plano a-b. O coeficiente (gama) (da contribuição linear à baixas temperaturas nas medidas de calor específico) do Co3O2BO3 pode ser atribuído aos efeitos de frustração causados por uma competição entre interações de supertroca e dupla troca que ocorrem nas subunidades de baixa dimensão. O coeficiente (gama) observado para o Co5Sn(O2BO3)2 é uma ordem de magnitude menor que o do Co3O2BO3. Este resultado indica que a diluição diamagnética do Co3O2BO3 pelo íon não magnético do Sn reduz os efeitos de frustração. As interações de duplatroca parecem não existir no Co5Sn(O2BO3)2 em concordância com a ausência de íons com diferentes valências e com o baixo valor de (gama). Estes resultados indicam que as interações de supertroca tornam-se o principal mecanismo responsável pelas propriedades magnéticas do Co5Sn(O2BO3)2. Assim, o Co5Sn(O2BO3)2 aparece como um composto ideal para estudar a relação entre os diferentes tipos de interações de troca e os efeitos de frustração.
metadata.dc.description.abstractother: Oxyborates exhibit a large variety of magnetic and transport properties resulting from strong correlations and low-dimensional effects. In this thesis we present an extensive study of the structural and magnetic properties of the ludwigite Co5Sn(O2BO3)2. We have synthesized high-quality single crystals of Co5Sn(O2BO3)2 in order to get relevant information of their physical properties. This study has been carried out through x-ray diffraction, magnetic, thermodynamic and 119Sn Mössbauer spectroscopy experiments in a large temperature range. The structure of Co5Sn(O2BO3)2 is composed of two subunits in the form of threeleg ladders. One subsystem consists of Co ions in sites 3-1-3 and another one of Co ions in sites 4-2-4. The crystal and Mössbauer spectroscopy data have shown that Sn atoms occupy the most symmetric crystallographic site 4, exhibiting an oxidation state 4+. Calculations of the oxidation number, using the bond valence sums method, allowed us to ascribe valence 2+ for all the Co ions. So the chemical formula of our sample, obtained from x-ray and Mössbauer spectroscopy analysis, is Co2+ 5 Sn 4+ 1 (O2BO3)2. These results make the Co5Sn(O2BO3)2 unique among the ludwigites studied until now. It is the only one to be doped in a unique equivalent site (site 4) with all the Co ions having the same oxidation state (2+). Single crystal x-ray measurements in Co5Sn(O2BO3)2 show no structural transition down to 110K . The compound displays long-range magnetic order at low temperatures. Mössbauer spectroscopy, ac susceptibility and specific heat as a function of temperature clearly shown the onset of a magnetic ordering below TN=81,5K. Although a negative Curie-Weiss temperature, (THETA)cw = -32,5 K, indicate the presence of antiferromagnetic interactions in the compound, the hysteresis curves below TN show remanescent magnetization indicating a ferro-, ferri-magnetic ordering or weak ferromagnetism. 119Sn Mössbauer spectroscopy results give us evidence of a ferromagnetic coupling between Co ions in sites 2 along the c-axis with the Co magnetic moments pointing in the same direction of the main component of the EFG of the octahedra. From Mössbauer and magnetization data a ferromagnetic type structure is proposed for the magnetic ground state of the compound. This model is consistent with a simplified calculations of superexchange interactions performed for the parent Co3O2BO3 that resulted in a ferromagnetic type orientation of Co magnetic moments in the a-b plane. The (gamma) coefficient (of the low-temperature linear-dependent contribution for the specific heat) of Co3O2BO3 can be attributed to frustration effects caused by a competition between superexchange and double exchange interactions occurring in the low-dimensional subunits. The (gamma) coefficient observed for Co5Sn(O2BO3)2 is one order of magnitude smaller than that of Co3O2BO3. This result indicates that magnetic dilution of Co3O2BO3 by non-magnetic Sn, where only superexchange interaction seem to take place, reduces the frustration effects. Furthermore, the superexchange interactions become the main mechanism responsible for the magnetic properties of Co5Sn(O2BO3)2. Hence, the Co5Sn(O2BO3)2 appears as an ideal counterpart compound to study the relation between different types of exchange interaction and frustration effects.
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