Structural and magnetic properties of B site ordered double perovskites

Abstract

Perovskites (ABO3), and especially double perovskites (A'A''B'B''O6) provide an exceptionally versatile template for chemical substitution and fine-tuning of physical and chemical properties, including magnetic interactions. The geometry of B-site ordered double perovskites especially supports useful magnetic interactions, from ferromagnetism to exotic ground states such as half-metallicity and frustrated spin states. However, the vast space of hypothetic perovskite compositions poses a challenge in finding the elemental combinations with optimal properties. New methods are needed for wide-field screening of possible compositions to identify regions of interest.

This thesis provides a thorough review of the structural and compositional considerations of B site ordered inorganic oxide double perovskites needed for understanding their magnetic behaviour, including distortions, ordering effects, and physical and chemical pressure. The mechanisms of magnetic ordering and the appearance of exotic ground states are presented through theory and examples. Emphasis is put on the correlation between stoichiometry defined geometric parameters and magnetic superexchange interactions. Multivariate analysis is presented as a novel method for using these correlations to predict the magnetic behaviour of new phases, and find new candidates for ferromagnetic behaviour by a statistical approach.

The relationship between chemical composition and structural parameters is experimentally investigated in the (Ba(1-x)Sr(x))2CoIrO6 perovskite series, in which chemical pressure is introduced by A site substitution, inducing a structural transition from hexagonal to cubic perovskite. Furthermore, a close structural examination of La2FeIrO6 is performed by comparing experimental data with the calculated optimal structure, as found by density functional theory, providing new information on the phase composition. Finally, the magnetic ground state of La2FeIrO6 is predicted by both density functional theory and multivariate analysis, and the results of the two methods are compared.

Perovskiter (ABO3), och särskilt dubbelperovskiter (A'A''B'B''O6) erbjuder en särdeles mångsidig startpunkt för kemisk substitution och finjusteringar av fysikaliska och kemiska egenskaper, inklusive magnetisk växelverkan. B-positionsordnade dubbelperovskiters geometriska struktur möjliggör särskilt användbara magnetiska beteenden, från ferromagnetism till exotiska grundtillstånd såsom halvmetalliska och frustrerade spintillstånd. Den ofantliga rymden av hypotetiska perovskitsammansättningar utgör emellertid en utmaning i sökandet efter grundämneskombinationer med optimala egenskaper. Nya metoder krävs för att på bred front genomsöka de möjliga kombinationerna och identifiera områden av intresse.

Detta diplomarbete erbjuder en grundlig presentation av strukturella och sammansättnings-mässiga aspekter av B-positionsordnade dubbelperovskiter som är relevanta för att förstå dessa materials magnetiska beteende, inklusive förvridningar, kemisk ordning, och fysikaliskt samt kemiskt tryck. Mekanismerna bakom magnetisk ordning och uppkomsten av exotiska grundtillstånd presenteras per teori och exempel. Korrelationen mellan stökiometriskt definierade geometriska parametrar och magnetisk utbytesväxelverkan betonas. Multivariabelanalys presenteras som en ny metod för utnyttjande av dessa korrelationer för att förutspå magnetiskt beteende hos nya faser, och hitta nya kandidater för ferromagnetism per statistisk analys.

Förhållandet mellan kemisk sammansättning och strukturella parametrar utforskas experimentellt i perovskitserien (Ba(1-x)Sr(x))2CoIrO6, i vilken kemiskt tryck introduceras per substituering i position A, vilket föranleder en strukturförändring från hexagonal till kubisk perovskit. Vidare utförs en noggrann utvärdering av strukturen hos La2FeIrO6, i form av en jämförelse mellan experimentella data och den beräknade optimala strukturen, som erhålls med hjälp av täthetsfunktionalteori (density functional theory, DFT). Således erhålls nya rön gällande strukturens fassammansättning. Slutligen förutspås det magnetiska grundtillståndet hos La2FeIrO6 med hjälp av både DFT och multivariabelanalys, och de två metodernas utlåtanden jämförs.