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Prediction of half-metallic ferrimagnetic quadruple perovskites ACu3Fe2Re2O12

铁磁性 反铁磁性 居里温度 材料科学 结晶学 磁化 凝聚态物理 物理 铁磁性 化学 磁场 量子力学
作者
Duo Wang,Monirul Shaikh,Saurabh Ghosh,Biplab Sanyal
出处
期刊:Physical Review Materials [American Physical Society]
卷期号:5 (5) 被引量:8
标识
DOI:10.1103/physrevmaterials.5.054405
摘要

A- and B-site ordered quadruple perovskites with the chemical formula ${\mathrm{AA}}_{3}^{\ensuremath{'}}{\mathrm{B}}_{2}{\mathrm{B}}_{2}^{\ensuremath{'}}{\mathrm{O}}_{12}$ can form with 1:3 ratio at the A site. A unique feature of this specially ordered perovskite is that three different atomic sites $({\mathrm{A}}^{\ensuremath{'}}, \mathrm{B}, \mathrm{and} {\mathrm{B}}^{\ensuremath{'}}$ sites) can all accommodate magnetic transition metals. As a consequence, multiple magnetic and electronic interactions can occur at ${\mathrm{A}}^{\ensuremath{'}}$, B, and/or ${\mathrm{B}}^{\ensuremath{'}}$ sites, giving rise to a series of intriguing physical phenomena. ${\mathrm{CaCu}}_{3}{\mathrm{Fe}}_{2}{\mathrm{Re}}_{2}{\mathrm{O}}_{12}$ is a good example, which shows half-metallic electronic structure, large magnetization, and a very high Curie temperature. Here we investigated a series of ferrimagnetic (FiM) compounds ${\mathrm{ACu}}_{3}{\mathrm{Fe}}_{2}{\mathrm{Re}}_{2}{\mathrm{O}}_{12}$ (A=Ca, Sr, Ba, Pb, Sc, Y, La) by using density functional theory and Monte Carlo simulations. We found that all compounds with ${\mathrm{A}}^{2+}$ ions exhibit high Curie temperatures (above 405 K), and the compounds with ${\mathrm{A}}^{3+}$ substitution yield even higher ${T}_{C}$ (above 502 K). By examining interatomic exchange parameters, we found that the antiferromagnetic exchange couplings between Re and Cu as well as Re and Fe are responsible for this very high Curie temperature. For the compounds with ${\mathrm{A}}^{3+}$ substitution, electron doping in bands around the Fermi level dominated by the Re ions strengthens the Re-Cu, Re-Fe, and Re-Re exchange interactions, which cause an increase in the critical temperature. Finally, we calculated the formation energies of the quadruple perovskites with respect to the possible decomposition pathways and have found that the values are reasonable for the synthesis of these compounds under the conditions of high pressure and high temperature. In summary, this work demonstrates a design strategy of enhancing the spin ordering temperature by replacing A-site nonmagnetic ions.

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