Investigation into the magnetic and the structural properties of two low-dimensional antiferromagnets TiPO4 and CrOCl

Abstract

Titanium (III) phosphate TiPO4 (3d1 electronic configuration with S = 1/2) is a one-dimensional quantum antiferromagnet exhibiting non-conventional spin-Peierls behaviour at low temperatures. Chromium oxychloride CrOCl (3d3 electronic configuration with S = 3/2) is a two-dimensional antiferromagnet consisting of ferromagnetic spin chains interconnected by competing anti and ferromagnetic spin exchanges interactions. The magnetic and the structural properties of these compounds are intimately related via magnetoelastic coupling. Incommensurate and commensurate phases are observed at low temperatures in both compounds. These systems are investigated using various experimental techniques, i.e. magnetic susceptibility, heat capacity, dielectric, Raman scattering and electron paramagnetic resonance measurements. The mangetoelastic coupling in these compounds is explored using a thermal expansion cell commissioned and tested in the course of this dissertation work.

TiPO4 consists of quasi one-dimensional Ti3+ spin S = 1/2 chains running along the c-axis with strong antiferromagnetic intrachain coupling (Jintra =-965 K, Jinter= -20 K). A two-stage spin-Peierls transition occurs in TiPO4 consisting of two successive phase transitions at Tc1 = ~74 K and Tc2 = ~110 K. The temperature dependence of the lattice parameters as well as the magnetic field and the pressure dependence of the two phase transitions are studied extensively. The results are analyzed and discussed in terms of the spin-Peierls theory and the crystallographic data.

CrOCl is characterized by an intricate two-dimensional intrachain and interchain spin exchange scenario. A low temperature monoclinic distortion occurs at the onset of the commensurate antiferromangetic order at TN = ~13.5 K. The commensurate phase is preceded by an incommensurate antiferromagnetic phase starting below 27 K. Ferromagnetic spin exchange interactions are dominant in contrast to the low temperature antiferromagnetic ordering. In low temperature regime (T < 30 K), various measurement techniques are employed to construct extended (H, T) magnetic phase diagrams for H par c and H per c. The phase diagrams are very complex resulting from the magnetic frustration of the competing spin exchange interactions. The spin exchange interactions are investigated by employing spin polarized density functional theory calculations and classical mean-field/Monte Carlo simulations. Using the density functional theory results, the extended (H, T) magnetic phase diagrams are discussed in terms of the ANNNI model.

Titan(III)-phosphate TiPO4 (elektronische Konfiguration 3d1, S = 1/2) ist ein eindimensionaler Quantenantiferromagnet, bei dem tiefen Temperaturen unkonventionelle Spin-Peierls Verzerrungen auftreten. CrOCl (elektronische Konfiguration 3d3, S = 3/2) ist ein zwei-dimensionaler Antiferromagnet, in dem ferromagnetische Spinketten über konkurrierende anti- und ferromagnetische Austauschkopplung miteinander wechselwirken. Die magnetischen und die strukturellen Eigenschaften dieser Verbindungen sind eng über magnetoelastische Wechselwirkungen miteinander verknüpft. Inkommensurable und kommensurable Strukturen werden bei tiefen Temperaturen für beide Verbindungen beobachtet. Beide Systeme werden mit diversen experimentellen Techniken untersucht, z. B. mittels Suszeptibilitätsmessungen, Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität als Funktion des Magnetfeldes und der Temperatur, dielektrische Messungen, EPR Messungen und mittels Raman Spektroskopie. Die magnetoelastischen Eigenschaften werden mithilfe eines Tieftemperaturdilatometers bestimmt.

TiPO4 besteht aus quasi ein-dimensionalen Ti3+ S = 1/2 Spinketten mit sehr großer antiferromagnetischer Intrakettenkopplung (Jintra = -965 K, Jinter = -20 K). Für TiPO4 wird ein zweistufiger Spin-Peierls Übergang bei Tc1 = ~74 K und bei Tc2 = ~110 K beobachtet. Sowohl die Temperaturabhängigkeit der Gitterkonstanten, als auch die Magnetfeld- und die Druckabhängigkeit von Tc1 und Tc2 werden ausgiebig studiert. Die Resultate werden anhand von gängigen Spin-Peierls Theorien sowie anhand der Kristallstruktur diskutiert.

CrOCl weist außerordentlich komplexe Austauschkopplungen innerhalb der Chrom Schichten auf. Obwohl ferromagnetische Austauschwechselwirkungen insgesamt dominieren, kommt es bei tiefen Temperaturen zu antiferromagnetischer Ordnung. Beim Einsetzen der antiferromagnetisch geordneten Phase bei TN = ~13.5 K beobachtet man eine monokline Verzerrung der Kristallstruktur. Zuvor wird eine inkommensurable antiferromagnetische Phase zwischen 27 K and 13.5 K ausgebildet. Eine Vielzahl experimenteller Techniken wird bei tiefen Temperaturen dazu benutzt, um die (H, T) Phasendiagramme für H par c und H per c aufzuklären. Die Phasendiagramme erweisen sich als außerordentlich komplex und spiegeln die magnetische Frustration infolge konkurrierender Austauschwechselwirkung wider. Die Austauschwechselwirkungen werden mithilfe spinpolarisierter Dichtefunktionalrechnungen und klassischer Mean-Field Monte-Carlo Simulationen untersucht und im Rahmen des ANNNI Modells diskutiert.