Competing Magnetism in Layered Mixed Transition Metal Chalcogenides KCo2–xNixSe2, KCo2–xNixS2, and CsCo2–xNixSe2

过渡金属 磁性 材料科学 凝聚态物理 结晶学 化学 物理 催化作用 生物化学
作者
Ludmila Taskesen,Robert D. Smyth,Lemuel E. Crentsil,James I. Murrell,Emmanuelle Suard,Pascal Manuel,Simon J. Clarke
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:37 (14): 5300-5311
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.5c00996
摘要

Layered transition metal chalcogenides are a versatile class of compounds that exhibit exotic physical phenomena, including superconductivity, thermoelectric properties and magnetic properties. The magnetic properties of ThCr2Si2-type solid solutions KCo2-x Ni x Ch 2 (Ch = S, Se; 0 ≤ x ≤ 2) with metallic properties were probed using magnetometry and powder neutron diffraction (PND). KCo2Se2 is ferromagnetic below ∼90 K and powder neutron diffraction (PND) showed evidence for long-range ferromagnetic order with localized moments of 0.6 μB per cobalt ion. With increasing nickel substitution, the system starts to order antiferromagnetically at x = 0.5. In these cases, PND experiments showed long-range A-type antiferromagnetic order with localized moments of around 1 μB per transition metal at 5 K. The Néel temperature (T N) for three-dimensional long-range ordering exhibits a maximum at x = 1, suggesting that nickel substitution enhances the antiferromagnetic interactions along the stacking direction. Higher nickel content suppresses the magnetic ordering temperature, and KCo0.5Ni1.5Se2 shows no magnetic long-range order with a lack of measurable Bragg peaks by PND (although a magnetic transition is evident by magnetometry), and further increasing the nickel content causes the system to become paramagnetic in the region 1.6 ≤ x ≤ 2. Our results show that increasing the electron count in the KCo2-x Ni x Se2 series has a dramatic effect on the physical properties. The analogous sulfide series - KCo2-x Ni x S2shows similar behavior, and the series CsCo2-x Ni x Se2, containing a larger alkali metal ion, is comparable apart from the lack of a ferromagnetic region at high Co contents in the absence of an applied magnetic field.
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