Refinement of magnetic domains in FeTbGe₂O₇

I. Rosales^a, C. Thions-Renero^a, E. Orozco^a, M. T. Fernández-Díaz^b and L. Bucio^a

^a Instituto de Física, Universidad Nacional Autónoma de México, Apartado Postal 20-364, 01000, México, DF, México, Tel.: (52+55) 56225000; fax: (52+55) 56225000. e-mail: bucio@física.unam.mx

^b Institut Laue-Langevin, BP 156X, Grenoble Cedex, France.

Abstract

Antiferromagnetic polycrystalline FeTbGe₂O₇ compound presents an ordered magnetic phase when its temperature decreases below the Neel temperature T_N = 42 K. By mean of Rietveld refinement of collected neutron diffraction data, the broadened part of the magnetic peaks was modeled in order to analyze the effect of average size of magnetic domains on the evolution of magnetic structure with temperature. The rise of the magnetic structure was found to be sensitive to the shortening of distances along the c-axis between the magnetic atoms located in the bc-sheets of the layered structure. When the magnetic structure is generated, chains along the b-axis of Tb³⁺-Tb³⁺ atoms are antiferromagnetically coupled. At the same time, ferromagnetic coupling along the c-axis between Tb³⁺-Fe³⁺ atoms located in contiguous chains, couples all the chains along a sheet in the layered structure. The three-dimensional magnetic structure is reached by the ferromagnetic coupling between the set of sheets parallel to bc in the layered structure. A correlation between the size ofthe magnetic domain and the reach of the saturation value for the magnetic moment for Fe³⁺ is suggested. The magnetic reflections appear below 42 K and were modelled independently from those reflections coming from the crystal structure ignoring the effect of magnetostriction.

Keywords: Thortveitite; nanophase; antiferromagnetic; neutron diffraction.

Resumen

El compuesto policristalino FeTbGe₂O₇ antiferromagnético presenta una estructura magnética cuando su temperatura desciende por debajo de la temperatura de Neel T_N = 42 K. Por medio del refinamiento Rietveld de los datos de difracción de neutrones, se modeló el ensanchamiento de las reflexiones magnéticas con el fin de analizar el efecto del tamaño medio de los dominios magnéticos y la evolución de la estructura magnética con la temperatura. Se encontró que el desarrollo de la estructura magnética es sensible al acortamiento de distancias a lo largo del eje b de átomos magnéticos situados sobre planos paralelos a bc en la estructura laminar. Cuando se genera la estructura magnética, se forman cadenas de átomos Tb³⁺-Tb³⁺ a lo largo del eje b que se acoplan antiferromagnéticamente. A su vez, se establece un acoplamiento ferromagnético a lo largo del eje c entre átomos Tb³⁺-Fe³⁺ que se sitúan en cadenas contiguas en todas las cadenas que forman una hoja en la estructura laminar. La estructura magnética tridimensional se logra por el acoplamiento ferromagnético entre el conjunto de hojas paralelas a bc en la estructura en capas. Se sugiere una correlación entre el tamaño del dominio magnético y el alcance del valor de saturación para el momento magnético de Fe³⁺. Las reflexiones magnéticas que aparecen por debajo de 42 K pudieron modelarse independientemente de las reflexiones procedentes de la estructura cristalina, ignorando el efecto de la magnetostricción.

Palabra clave: Thortveitita; nanofase; antiferromagnetismo; diffracción de neutrones.

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Acknowledgments

Authors acknowledge the financial support of the Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologia (CONACYT) project CB-2011/167624 and DGAPA-PAPIITIN-101414.

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