Synthesis and physical properties under high pressure of Cr4+ coumpounds
Synthèse et propriétés physiques sous haute pression de composés à base de Cr 4+
Résumé
After 25 years of research on the superconducting cuprates, the discovery of high Tc
superconductivity in related iron based pnictides in 2008 has stimulated the search of new
superconductors. In particular, systems with 3d transition elements, antiferromagnet with
high Néel temperature, moderate magnetic moments and with crystallographic 2D layers
could be adequate parent phases for new unconventional superconductors.
In this context we have reinvestigated the physical properties of n=1, 2,3 and 1 members
of the Srn+1CrnO3n+1 Ruddlesden Popper (RP) series. These compounds had been
poorly studied because of their synthesis conditions under high pressure and high temperature.
We successfully synthesized Sr2CrO4 (n=1), Sr3Cr2O7(n=2), Sr4Cr3O10 (n=3)
and SrCrO3 (n=1). We present results of several studies performed on these phases
such as neutron powder diffraction, synchrotron X-ray diffraction under high pressure
and low temperature, and electrical transport properties under high pressure. Even if
no superconductivity was observed, interesting properties had been discovered such as an
unusual “anti-Jahn-Teller” in Sr2CrO4 at low temperature or an orbital ordering and a
huge magneto-structural coupling in Sr3Cr2O7.
To explore new Cr-based systems where superconductivity could potentially be induced
by changing Cr-Cr interactions in the Sr2CrO4 (n=1) and Sr3Cr2O7(n=2) RP phases,
new chromates have been synthesized under high pressure/temperature by substituting
Sr2+ with other alkaline earth elements in order to “play” with the cation size effect. For
the Ca2CrO4 RP (n=1) phase, substitution with Ca2+ as a replacing element lead to a
weakening of both the insulating behavior and AFM ordering. Synthesis to form the n=2
RP Ca-based lead to the formation of the unexpected and new n=3 phase Ca4Cr3O10. As
a replacing element, Ba2+ broke the RP structure configuration and led to a new phase,
whose crystal structure was solved using electron diffraction tomography.
In 2014, superconductivity has been discovered in CrAs (Tc=2.2 K at P=0.8 GPa),
the first superconducting Cr-based system. In this context, we have look for other AFM
Cr-based system with relatively high Néel temperature and moderate Cr magnetic moment.
In consequence, we investigated another system, the narrow-gap semiconductor
CrSb2. We find a metal-insulating transition from transport measurement at P=10 GPa
for both polycrystalline and single crystal samples we synthesized. At this pressure, we
also observed a phase transition on synchrotron XRD under pressure. Finally, pressure
dependence of the AFM ordering had been established by neutron powder diffraction
under high pressure.
Après 25 années de recherche sur les cuprates, la découverte en 2008 de la supraconductivité
à haute Tc dans les composés à base de fer a stimulé la recherche de nouveaux
composés supraconducteurs. Les composés d’éléments de transition 3d, antiferromagnétiques
à haute température de Néel, de moment magnétique modéré et de structure cristallographique
lamellaire sont particulièrement intéressants comme phases mères pour de
potentiels nouveaux supraconducteurs à haute Tc.
Dans ce contexte de recherche, nous nous sommes intéressés dans un premier temps aux
propriétés physiques de la famille Ruddlesden-Popper (RP) Srn+1CrnO3n+1. Ces composés
à base de chrome n’ont été que peu étudiés à cause de leurs conditions synthèses,
nécessitant d’atteindre les hautes pressions et hautes températures (HP-HT). Nous avons
synthétisé avec succès les phases Sr2CrO4 (n=1), Sr3Cr2O7 (n=2), Sr4Cr3O10 (n=3) et
SrCrO3 (n=1). Des études en Grands Instruments et de transport sous pression ont été
effectuées pour la première fois sur ces phases. Bien que la supraconductivité n’y ait pas
été détectée ni sous pression (jusqu’à 20 GPa et 4.4K) ni par dopage en site de Cr, nous
avons découvert au sein de ces phases d’intéressants phénomènes physiques tels qu’un
effet « anti-Jahn-Teller » inhabituel à basse température dans Sr2CrO4 ou l’instauration
d’un ordre orbital dans Sr3Cr2O7 associé à un fort couplage magnéto-structural.
Pour tenter d’induire un régime métallique, voire supraconducteur, au sein des phases
Sr2CrO4 et Sr3Cr2O7, des substitutions en site cationique Sr2+ ont été entreprises. Ces
substitutions, par un autre élément alcalino-terreux, ont pour objectif de modifier les
interactions Cr-Cr en « jouant » avec l’effet de taille du cation (pression chimique). De
nouveaux chromates ont ainsi été synthétisés sous HP-HT par substitution avec un cation
de plus petit rayon ionique, Ca2+, et de plus grand rayon ionique, Ba2+. La substitution au
calcium donne naissance à une nouvelle phase RP Ca2CrO4 (n=1) dont le comportement
semiconducteur ainsi que l’ordre AFM semblent affaiblis comparés à la phase au strontium.
La substitution au baryum, quant à elle, brise la configuration structurale RP pour former
une nouvelle phase dont la structure cristallographique a été résolue par une étude de
tomographie en diffraction électronique.
En parallèle, en 2014, la supraconductivité a été découverte dans le composé CrAs,
devenant ainsi le premier composé supraconducteur à base de chrome. En conséquence,
nous nous sommes intéressés à un composé similaire, un semiconducteur à petit gap de
TN´eel élevée ( 270K) : CrSb2. Nos mesures sous pression de transport électrique et de
DRX en cellule à enclumes de diamant ont mis en évidence une transition métal-isolant
et structurale à 10 GPa. Finalement, en complétant avec une expérience de diffraction de
neutrons sous pression, nous avons établi la dépendance en pression de l’ordre AFM.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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