Magnetic properties and magnetic ordering in the Rare Earth Molybdenum(IV) Pyrochlores: R2Mo2O7

Abstract The series of cubic pyrochlore structure compounds, R 2 Mo 2 O 7 (R = Nd—Yb, Y; R ≠ Eu), were prepared as single phase materials by solid state reaction between R 2 O 3 and MoO 2 at 1400°C in a CO/CO 2 = 1 buffer gas atmosphere. Lattice constants obtained from X‐ray powder data compare well with results from previous studies. Magnetic susceptibility and magnetization data were obtained for all samples between 300 K and 4.2 K (700 K for R = Gd) and a range of applied fields. For R = Nd, Sm, and Gd magnetic ordering is observed at 97 K, 93 K and 83 K respectively which is assigned to ferromagnetism on the Mo(IV) sublattice. The Mo(IV) moment in the ordered state is about 1 μ B . At low temperatures, the Gd(III) and Mo(IV) moments are apparently coupled ferromagnetically in Gd 2 Mo 2 O 7 yet the high temperature susceptibility data seem to indicate a ferrimagnetic (antiparallel) Gd(III)—Mo(IV) coupling. The low‐temperature magnetic properties of Nd 2 Mo 2 O 7 and Sm 2 Mo 2 O 7 are complex. For R = Tb—Yb, Y there is no firm evidence for magnetic order although deviations from the Curie‐Weiss Law occur below 20 K for R = Tb, Dy, Y, and Ho. For R = Er and Tm the Curie‐Weiss Law is obeyed to 4.2 K. Yb 2 Mo 2 O 7 deviates strongly from the Curie‐Weiss Law but this can be assigned to crystal‐field effects on the Yb(III) sublattice and not to magnetic order. There is a remarkable variation in the sign of the Weiss constant, Θ c , as R varies through the series from + 115 K (R = Nd) to −25 K (R = Yb) and −60 K (R = Y). This indicates a change in sign of the net exchange interaction in these compounds from ferromagnetic to antiferromagnetic across the rare‐earth series for the R 2 Mo 2 O 7 phases. This change seems to correlate with the electrical properties (to be published elsewhere) which indicate that the ferromagnetic members (R = Nd, Sm, and Gd) are metals while all others (R = Tb → Yb, Y) are semiconductors. Magnetische Eigenschaften und magnetische Ordnung in den Seltenen Erd ‐ Molybdän(IV)‐Pyrochloren: R 2 Mo 2 O 7 Die Verbindungen R 2 Mo 2 O 7 (R = Nd—Yb, Y; R ≠ Eu) mit kubischer Pyrochlorstruktur wurden als einphasige Substanzen durch Feststoffreaktion zwischen R 2 O 3 und MoO 2 bei 1 400deg;C in einer Schutzgasatmosphäre (CO/CO 2 = 1) hergestellt. Die aus Röntgenpulverdaten erhaltenen Gitterkonstanten entsprechen gut den Ergebnissen vorausgehender Untersuchungen. Die magnetische Suszeptibilität und die Magnetisierungsdaten wurden für alle Proben zwischen 300 K und 4,2 K (700 K, R = Gd) und für den angewendeten Feldbereich bestimmt. Für R = Nd, Sm und Gd wird eine magnetische Ordnung bei 97 K, 93 K bzw. 83 K beobachtet, die dem Ferromagnetismus des Mo IV ‐Untergitters zugeordnet wird. Das Mo IV ‐Moment in geordneten Zustand beträgt etwa 1 m̈b. Bei niedrigen Temperaturen sind die Gd III ‐und Mo IV ‐Momente offenbar ferromagnetisch gepaart obgleich die Hochtemperatur‐Suszeptibilitätsdaten eine ferrimagnetische (antiparallel) Gd III ‐Kopplung zu zeigen scheinen. Die Tieftemperatur‐magnetischen Eigenschaften von Nd 2 Mo 2 O 7 und Sm 2 O 7 sind komplex. Für R = Tb–Yb gibt es keinen sicheren Beweis für die magnetische Ordnung, obgleich sich Abweichungen vom Curie‐Weiss‐Gesetz unter 20 K für R = Tb, Dy, Y und Ho zeigen. Für R = Er und Tm wird das Curie‐Weiss‐Gesetz bis 4,2 K befolgt. Yb 2 Mo 2 O 7 weicht stark vom Curie‐Weiss‐Gesetz ab, was auf Kristallfeldeffekte am Yb III ‐Untergitter und nicht auf die magnetische Ordnung zurückgeführt werden kann. Es gibt eine bemerkenswerte Variation des Vorzeichens der Weiss‐Konstante, Θc, wo R variiert durch die Reihe von + 115 K (R = Nd) zu ‐ 25 K (R = Yb) und ‐60 K (R = Y). Dies zeigt einen Wechsel im Vorzeichen der Nettoaustausch‐Wechselwirkung dieser Verbindungen vom ferromagnetischen zum antiferromagnetischen Übergang der Seltenen Erd‐Reihen für die R 2 Mo 2 O 7 ‐Phasen. Dieser Wechsel scheint mit den elektrischen Eigenschaften (die an anderer Stelle publiziert werden) zu korrelieren, welche zeigen, daß die ferromagnetischen Glieder (R = Nd, Sm und Gd) Metalle sind, während alle anderen (R = Nd, Sm und Gd) Metalle sind, während alle anderen (R = Tb→Yb, Y) Halbleiter sind.