Croissance cristalline, magnétisme critique et magnétorésistance colossale dans les manganites à structure Ruddlesden-Popper La_1.2(Sr, Ca)_1.8Mn₂_O7

Abstract

Ruddlesden-Popper layered compounds, of formula (La,Sr,Ca)_3Mn_2O_7, offer the opportunity to explore bidimensional magnetism in the manganites family. In order to acceed to the intrinsic and anisotropic characters of their physical properties, high-quality centimeter size single crystals of La_1.2(Sr, Ca)_1.8Mn_2O_7 were successfully grown using a floating zone method associated with an image furnace. The samples were characterized by X-ray and neutron diffraction and high-resolution transmission electron microscopy, verifying the chemistry, the crystallography and the absence of a second phase over several centimeters. A thorough investigation of the magnetic behaviour of these compounds was performed in a wide range of temperatures, including the determination of the fundamental characteristics of a magnetic system: magnetic anisotropy, critical exponents and crossovers in the vicinity of the Curie temperature, T_c1̃08K. By accurate measurements of magnetic susceptibility and magnetization on single crystals, specially designed to lessen the demagnetizing field, we could demonstrate that two-dimensional (2D) correlations start introducing deviations from the Curie-Weiss behaviour below 4̃20K. La_1.2Sr_1.8Mn_2O_7 can be viewed as a quasi-two-dimensional Heisenberg ferromagnet with notable deviations from this ideal model: firstly, the XY anisotropy inducing a spin dimensionality crossover at T_s4̃57K, secondly, the three-dimensional couplings between perovskite bilayer blocks, which drive a lattice crossover at T1̃17K. The slow development of the two-dimensional ferromagnetic correlations above T_c, and our quantitative measurements (critical exponents delta=(4.3±1.1) and gamma1̃.4 in the vicinity of T_c), lead us to believe that the ferromagnetic transition in La_1.2Sr_1.8Mn_2O_7 is essentially of three-dimensional nature. Intrically related with ferromagnetism are an insulator-metal transition at T_(i-m)1̃28K, and a negative magnetoresistance maximum effect (dp/p(8T))_[001]1̃1502̃x(dp/p(8T))_[110] for La_1.2Sr_1.8Mn_2O_7, somewhat superior to the performances of the perovskites with similar T_c's. The poor metallicity becomes indeed only established within the double perovskite slabs, consistently with spin correlations stronger in the (a,b)-plane than along the c -direction.Les composés lamellaires à structure Ruddlesden-Popper, de formule (La,Sr,Ca)_3Mn_2O_7, offrent la possibilité d'explorer le magnétisme bidimensionnel (2D) dans la famille des manganites. L'intérêt de ces derniers réside d'une part, dans leur magnétorésistance colossale, d'autre part, dans la polarisation totale en spin de l'état ferromagnétique. Afin d'accéder aux caractères intrinsèque et anisotrope de leurs propriétés physiques, des monocristaux de composition chimique La_1.2(Sr, Ca)_1.8Mn_2O_7 et de taille centimétrique ont été fabriqués par fusion de zone verticale associée au four à image. Ils ont ensuite fait l'objet de caractérisations par diffraction des rayons X et des neutrons, et par microscopie électronique en transmission haute résolution. Nous avons approfondi l'étude du comportement magnétique de La_1.2Sr_1.8Mn_2O_7 sur une large gamme de température, incluant la détermination de ses grandeurs magnétiques fondamentales: anisotropie magnétique, exposants critiques et "crossovers" au voisinage de la température de Curie, T_c 1̃08K. Au moyen de mesures fines d'aimantation et de susceptibilité, nous avons démontré l'apparition de corrélations quasi-2D vers 4̃20K, température à laquelle le modèle de Curie-Weiss tombe en désuétude. La_1.2Sr_1.8Mn_2O_7 peut être considéré comme un aimant de type Heisenberg quasi-2D avec des écarts notoires au modèle idéal: d'une part, l'anisotropie XY induisant un "crossover" avec la dimensionalité de spin à T_n1̃57K, d'autre part, les couplages tridimensionnels entre feuillets double pérovskite qui provoquent un second "crossover" avec la dimensionalité du réseau à T_d1̃17K. Le développement timide des corrélations ferromagnétiques 2D, ainsi que nos estimations des exposants critiques delta=(4.3±1.1) et gamma1̃.4 au voisinage de T_c, indiquent que la transition ferromagnétique dans La_1.2Sr_1.8Mn_2O_7 est essentiellement tridimensionnelle. A la transition paramagnétique -> ferromagnétique sont étroitement associés une transition isolant -> métal (T_(i-m)1̃28K), ainsi qu'un maximum de magnétorésistance négative (dp/p(8T))_[001]1̃1502̃x(dp/p(8T))_[110] pour La_1.2Sr_1.8Mn_2O_7, supérieur aux performances des pérovskites aux T_c similaires. Avec l'anisotropie marquée de la résistivité électrique et une faible métallicité ne s'établissant véritablement que dans les blocs de feuillets double pérovskite transparaÎt la structure lamellaire des composés La_1.2Sr_(1.8-y)Ca_yMn_2O_7 (y=0.0 et 0.2)