Doktorarbeit_Mairoser.pdf - OPUS - Universität Augsburg

7.3. Magnetische Eigenschaften von EuO
zu
m satµB = m sat
n Eu · µ B
µ B =
1,920 · 10 6 A/m
µ
2,94 · 10 28 1 /m 3 · 9,274 · 10 −24 J B = 7,04 µ B . (7.3)
/T
Dieser Wert stimmt sehr gut mit dem aus der Elektronenkonfiguration der Eu 2+ -
Ionen ([Xe]4f 7 ) und den Hund’schen Regeln zu erwartenden überein. Die einzigen
nicht vollständig gefüllten oder leeren Orbitale sind die halb besetzten 4f-Orbitale.
Bei halber Füllung verschwindet der Bahndrehimpuls L 5 und ein Gesamtdrehimpuls
von J = L + S = S = 7 /2 resultiert. Mit dem sich daraus ergebenden Landé-Faktor
g J = 2 ergibt sich eine Sättigungsmagnetisierung von
m sat = g J Jµ B = 2 · 7
2 · µ B = 7 µ B , (7.4)
die sehr gut mit dem gemessenen Wert übereinstimmt. Da sich die 4f-Orbitale nahe
am Kern befinden und kaum einen Überlapp zu den nächsten Nachbaratomen besitzen,
sind sie stark lokalisiert, sodass sie in guter Näherung als isolierte Spins betrachtet
werden können, der grundsätzlichen Annahme im Heisenberg-Modell.
Der magnetische Austausch in EuO wird durch ein mikroskopisches Modell beschrieben,
das von T. Kasuya entwickelt wurde [174]. Hierin wird für die Wechselwirkung
zwischen nächsten und übernächsten Nachbarn 6 von einem indirekten Austausch ausgegangen.
Für letztere ergibt sich durch den Superaustausch der überwiegende Beitrag.
Beide Phänomene besitzen eine starke Abstandsabhängigkeit. Dies kann auch an
den weiteren Europium-Chalkogeniden abgelesen werden, die ebenfalls in der NaCl-
Struktur kristallisieren. In der Reihenfolge EuO, EuS, EuSe und EuTe nimmt die
Gitterkonstante stetig zu, während der Austausch abnimmt. So sind die beiden erstgenannten
Verbindungen reine Ferromagneten, EuSe besitzt sowohl eine ferro- als auch
eine antiferromagnetische Phase und EuTe ist ein reiner Antiferromagnet [175]. Der
ferromagnetische Austausch nimmt somit für kleiner werdende Gitterkonstanten zu.
Dieser Effekt spielt eine wichtige Rolle beim Anlegen von hydrostatischem Druck bzw.
bei der biaxialen Verspannung von dünnen Filmen. So lässt sich T C bei einem hydrostatischen
Druck von 200 bar auf 200 K steigern [176]. Die Anwendung von biaxialem
Stress wird eigens in Kapitel 7.4 beschrieben.
Weiterhin ändert sich der Austausch bei der Dotierung mit unterschiedlich großen
Ionen. Werden statt Eu 2+ (Ionenradius 1,17 Å [177] 7 ) dreiwertige Ionen in das Kris-
5 Dies resultiert aus der ersten Hund’schen Regel, die besagt, dass der Gesamtspin maximal werden
muss. Somit ist jedes Orbital einfach besetzt, was zu einem Bahndrehimpuls von null führt [77].
6 Wenn die Rede von nächsten Nachbarn ist, sind die nächsten Eu 2+ -Ionen gemeint. Eigentlich sind
in der NaCl-Struktur die nächsten Nachbarn Sauerstoffionen. Diese sind zwar nichtmagnetisch,
vermitteln aber den Austausch der 4f-Spins.
7 Der genannte Ionenradius bezieht sich auf eine Koordinationszahl von 6, wie sie bei der NaCl-
Struktur vorliegt. Mit anderen Koordinationszahlen ergeben sich andere Ionenradien. Im Folgenden
werden für die Dotierung von EuO immer die Ionenradien mit der Koordinationszahl von 6
angegeben.
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