STRUKTUR MAGNETIK SENY A W A LOGAM T ANAH JARANG TbMnzGcz :Hasil Sfudi dengan HamburanNeufron Resolusi Tinggi

.s 3.bSetyo Purwanto

Pusat Penelitian Sains Materi -BAT AN; Kawasan Puspiptek Serpong, Tangerang

ABSTRAKSTRUKTUR MAGNETIK PADUAN LOGAM T ANAH JARANG TbMn2Ge2 : Hasil Studi dengan Hamburan

Neutron Resolusi Tinggi. Diketahui paduan magnetik ini memiliki rasa antiferomagnetik dari sub-kisi momen atom Mnpada daerah suhu T c=95.3K <T <T N=41 OK. Pada suhu T c=95.3K, paduan ini tersusun secara kolinier ferimagnetik, dimanamomen atom Tb dan Mn berpasangan secara antiparalel sejajar arah sumbu c, dan kondisi rasa ini bertahan sampaisuhu 8K. Hasil hamburan neutron resolusi tinggi menunjukkan bahwa cuplikan yang teranil dengan baik pada suhu 8Kmemiliki struktur ferimagnetik. Sedangkan pad a suhu 125K pola difraksi neutron menunjukkan bahwa paduan memilikistruktur antiferomagnetik yang tersusun dari momen atom Mn.

ABSTRACTMAGNETIC STRUCTURE REAR EARTH METAL COMPOUNDS TbMn2Ge2: High Resolution Neutron Scattering

Study. Magnetic structure of TbMn2Ge2 compound has been determined by means of high resolution powder diffractionmethod. At the temperature range of T c=95.3K <T <T N=410K, the previously proposed antiferromagnetic ordering on themanganese sub lattice is confirmed. At T c=95.3K, Tb moments become abrubtly ordered in collinear ferrimagnetic state.,Tb and Mn moments are coupled antiparallel to each other along the c-axis, and kept the same magnetic structure downto 8K. These results supported by high resolution powder neutron diffraction on good annealed sample. At T=125K,neutron diffraction pattern shows that the compound is antiferromagnetic due to Mn moment atom.

PENDAHULUAN

Paduan intermetalik dengan formulaRM2X2 ( dengan R adalah logam tanah jarang, Madalah logam transisi 3d atau 4d serta X adalahGermanium atau Silikon) diketahui memperlihatkanbanyak sifat fisika yang sangat menarik, sepertisifat superkonduktivitas, kelakuan Fermion beratclan beraneka ragam struktur magnetik[I].Kebanyakan dari paduan yang memiliki formulatadi memiliki struktur tetragonal pusat badandengan grup ruang DI7 4h -I4/mmm, sepertidiperlihatkan oleh gambar I. Atom-atom R, M clanX masing-masing menempati posisi 2(a), 4(d) clan4(e). Struktur tadi membentuk lapisan atom yangtegak lurus terhadap sumbu c kristal yang tersusundengan urutan R-X-M-X-R.

Beberapa hasil penelitian tentang bahanTbMn2Ge2 temyata memperlihatkan data yangberagam. Berkaitan dengan hasil pengukuranmagnetisasi clan studi hamburan neutron, TbMn2Ge2memiliki harga suhu Neel dari ordering momen

~11~

atom Mn masing-masing TN= 413K [2] dan 414K[3], dan ordering momen atom Tb yaitu Tc=33K [4],IIOK[2] dan 95K .(3]. Menurut Shigeoka dkk[3],paduan TbMnzGez pada suhu T=77K memilikistruktur kolinear ferimagnetik dimana momen Mnberpasangan secara feromagnetik sepanjang sumbuc dan membuat kopling antiferomagnetik denganmomen atom Tb seperti diperlihatkan oleh gambar2(a). Pada model ini ordering magnetik dari momenatom Tb diikuti dengan reorientasi dari momenatom Mn yang mana kopling antar kisi dari sub kisimom en atom Mn berubah dari antiferomagnetikmenjadi feromagnetik. Sebaliknya, Leciejewicz danSzytula [1] melaporkan bahwa kolinearantiferomagnetik dari momen atom Mn pactadaerah suhu tinggi bertahan terus sampai suhuHelium Cair 4.2K. Untuk suhu T=77K, strukturferimagnetik yang diusulkan adalah sepertidiperlihatkan oleh gambar 2(b). Selain itu diusulkanpula adanya model dimana momen atom Tb

; Ht.: 111<1 11

~ 11~ ~~ ~ TM...!. JMMi T&11..,£;t,

hamburan nuklir dari struktur kristal tetragonalpusat badan tipe ThCr2Si2. Sedangkan puncakmagnetik yang muncul adalah puncak (Ill) dan(113) yang merupakan refleksi yang muncul darimom en atom Mn yang tersusun secaraantiferomagnetik. Hasil refinement untuk suhumasing-masing T=8K, 35K clan 125K diperlihatkanpada tabel I. Hasil penting pada pola difraksi untuksuhu rendah T=8K clan 9K adalah bahwa untukbahan yang sudah teranil dengan baik puncakimpuriti pacta sudut 28 = 130 dan 340 akan

menghilang. lni menunjukkan bahwa puncak-puncak (100)01 clan (111)01 tersebut yang berkaitandengan model struktur magnetik monoklinikbukanlah puncak intrinsik. Ketergantungan puncakmagnetik (101) dan (Ill) terhadap suhu yangmemberikan suhu ordering dari sub kisi TbT=95.3K diperlihatkan oleh gambar 3, dimana hasilini menunjukkan hasil yang mirip dengan kurvamagnetisasi Ys. suhu (Iihat label 2). Hasilmagnetisasi in' mengkonfirmasikan bahwa dibawah suhu c=99K pa4uan memiliki sifatferomagnetk di ana sub kisi Tb akan menjadidisorder pacta suhu di atas Tc=99K tersebut.Sedangkan pad suhu T=4.2K (dibawah kondisimedan magnet luar H=9.5kOe), mom en saturasipaduan adalah 4.5:t0.25f.lB' harga ini dekat denganhasil pengukuran Shigeoka[3] untuk magnetisasikristal tunggal yang berharga 5.3f.lD pada kondisiH=7.2kOe, tetapi agak sedikit berbeda dengan hasilNarasimhan[4] untuk sampel bubuk dimana hargamomen saturasinya adalah 6.02f.lD untuk H=20kOe.Hasil lengkap magnetisasi bahan oleh beberapapeneliti dapat dilihat pacta tabel 2.

membuat sudut inklinasi terhadap sumbu c kristal.Suatu hal yang tidak dijumpai pad.. sistemRMn2Ge2 lainnya. ~ifat ini sangat berkaitan dengansifat anisotropi dari paduan ini yang mana padaumurnnya bahan ini memiliki sumbu mudah sejajarsumbu c kristal.

Makalah kali ini akan melaporkan secararinci hasil dari studi dengan hamburan neutronresolusi tinggi dan sedikit data pendukung dari studimagnetisasi bahan yang dapat mengklarifikasikeberadaan rasa magnetik di daerah suhu rendah.

TATA KERJA

Cuplikan bahan TbMnzGez disiapkandengan metoda arc-melt pacta kondisi atmosfir gasArgon. Kemumian bahan dasar yang dipakai adalahTb 99.9%, Mn 99.99% dan Ge 99.999%. Peleburandilakukan sampai 5(lima) kali untuk meyakinkantingkat homogenitas dari cuplikan. Berat Tb danMn dilebihkan sekitar 0.5% dan 5% untukmengganti yang hilang selama proses peleburan.Kemudian cuplikan dianil pacta suhu 1150 derajatcelcius selama 7(tujuh) hari. Fasa yang terbentukdiperiksa dengan difraksi sinar-X dengan target Fe.Pengukuran hamburan neutron dilakukan di JAERIdengan memakai HRPD di JAERI. Panjanggelombang neutron yang digunakan adalah 1.823Angstrom yang direfleksikan dari bidang (331)kristal Ge. Faktor bentuk magnetik dari yangdipakai adalah data dari E.J Lisher dan J.B

Forsyth[5].

HASIL DAN DISKUSI T abel1: Parameter Struktur dan Magnetik TbMn2Ge2

8.03.991

353.991

1253.990

10.843 10.844 10.845

2.716(8) 2.717(1) 2.718(0)

172.708 172.724

,72.653

0.375 0.375 0.370

9.0 8.2

1.8 1.8 1.8

6.3 8.2 7.8

~ 11~ s 1"""~ ~ TM...t J"""'i Ttl1"'4t,

Tabel2. Parameter Magnetik Hasil MagnetisasiBahan pada TbMn2Ge2

Penulis mengucapkan banyak terimakasihatas bantuan Mr. Minakawa, Y. Shimojo dan K.Nemoto selama eksperimcn dengan HRPD diJAERI-Jepang.

I

Saturasi

MomenI

J.lB/fU

T c(K) TN(K) Ref.

DAFTARPUSTAKA

6.02 33 NO f41

95 414 [3]5.3

r21NM 10 413

5.0 99 410 PresentWork

ND=tidak terdeteksi, NM=tidak diukur

Sebagai tambahan penjelasan, temyatahasil pengukuran pada kondisi medan magnet luaryang sangat tinggi yakni H=150kOe dimana sampeldalam keadaan bubuk yang bebas orientasidiperoleh harga momen saturasi sebesar 5.0~8.Harga ini akan menjadi mengecil yakni menjadisebesar 3.5~B pada kondisi sampel tidak teroricntasibebas. Dari hasil ini dapat diduga bahwa bahan inimemiliki sifat anisotropi yang sangat kuat sehinggakecil kemungkinan muncul struktur monoklinikpad a struktur magnetiknya.

KESIMPULAN

Pad a penelitian ini telah dilakukan studistruktur magnetik pad a bahan TbMn2Ge2 dengandifraksi neutron resolusi tinggi dan diperjelasdengan beberapa hasil studi magnetisasinya.

Pada suhu lebih tinggi dari Tc'=95K, hanyamomen atom Mn yang berpasangan secara

antiferomagnetik dengan harga momen sebesar 1.8~oIMn. Dibawah suhu Tc, paduan ini memilikistruktur kolinier ferimagnetik. Harga momen Tbdan Mn adalah 9.0~Brrb dan 1.8 ~B/Mn. Transisimagnetik yang dilaporkan oleh Leceijewicz dkk(l]terjadi pada suhu T=26K kemungkinan besarmuncul dari suatu impuritas yang akan hilang hilasampel dianil pada suhu 1150 derajat Ce/ciusselama 7 hari. Konfirmasi dengan magnetisasibahan diperoleh fakta bahwa sifat anisotropi bahanpada arah sumbu c kristal atau arah (001] sangatkuat sehingga kemungkinan munculnya strukturmonoklinik clan momen atom Tb membentuk sudutterhadap sumbu c kristal adalah sangat kecil.

[I] Szytula dan J.Leceijewicz, Handbook on thePhysics and Chemistry of Rare Earth,Vol.12,Elseiver New York(1989)133

[2] J.Leceijewicz dan Szytula, Solid StateCommun., Vol.49(1984)364

[3] T .Shigeoka,Sci. HiroshimaUniv.Ser.A , Vol.48(

1984)103[4] K.S.V.L. Narasimhan, V.U.S. Rao, R.L.

Bergner dan W.E. Wallace,J.Appl.Phys., Vol.46 (1975) 4957

[5] Iwata,N.,T.Ikeda, T.Shigeoka, H.Fujii dan T.Okamoto, J.Magn. and Magn. Mater., Vol.54-57 (1986)481

[6] Kobayashi,H., H. Onodera, Y. Yamaguchi danH. Yamamoto, Phys. Rev. B., Vol.43,No.l-

B(1991)728[7] Venturiny,G.,B. Malaman, K. Tomala, A.

Szytula dan J.P. Sanchez,Phys. Rev.B, Vol.46No.1 (1992)207

[8] A. Szyytula dan I. Szott,Solid StateCommun., Vol.40(1981) 199

[9] T. Shigeoka, N. Iwata, H.Fujii dan T.Okamoto, J.Magn. Magn. Mater., Vol.54057

(1986)1343[10] Y. Morii, Nihon Kessyou Gakkai (in Japanese

), Vol.34(1992) 62[11] EJ. Lisher dan J.B. Forsyth, ActaCryst., Vol.

A27 (1970)545

UCAP AN TERIMAKASIH

13~I 13 114 111~

~ H~ ~,. ~ 1...4 J~ UH"'4t,

0 Logam tanah jarang.{ R ).Logam transisi ( M )0 Si, Ge ( X )

Gambar 1 Struktur Kristal Senyawa RM2X2

Model Struktur Magnetik dari TbMn2Ge2 (a) Mode! Shigeoka(b) Mode! Leceijewicz dan Szytula

~, 13 Ht.: 111g