Ligand field and magnetic excitations in High Entropy Oxides studied by RIXS

High Entropy Oxides (HEOs) are an emergent class of materials characterized by high configurational disorder. The growing interest in these materials is motivated by their unique properties, including low thermal conductivity, colossal dielectric constant and superionic conductivity. This work proposes the very first study of the structural, electronic and magnetic properties of prototypical HEOs based on resonant inelastic x-ray scattering (RIXS). Specifically, rock-salt compounds MgCuNiCoZnO (Mg-CNCZ) and CuNiCoZnO (CNCZ) have been tested, where the latter has been obtained by removing the precursor oxide MgO from the synthesis process. RIXS measurements have been performed at the copper L3 absorption edge, at distinct scattering geometries and incident photon polarization. Ligand field, including dd and charge-transfer, excitations evidence a sizeable Jahn-Teller distortion of the CuO6 octahedra, which is larger for Mg-CNCZ than for CNCZ, and allow us to estimate the energy gain associated to the distortion, a missing information in the literature. The low-energy spectral region shows features, which can likely be assigned to magnetic excitations. Our major clue is the observation that the energy of the magnetic peak in Mg-CNCZ is lower than in CNCZ because of the extra non-magnetic ion present in the lattice, which reduces the effective magnetic interaction strength on average: based on this argument, we can quantitatively explain the relative energies of the magnetic peaks in the two systems and note that RIXS effectively probes collective excitations that are coherently excited at multiple resonant sites. In light of this, we could explain the momentum dependence of magnetic excitations within the framework of a simple Heisenberg model with an effective antiferromagnetic coupling of approximately 22 meV. This works demonstrates that RIXS provides a wealth of information about the structural, electronic and magnetic properties of Mg-CNCZ and CNCZ, and could possibly do the same for many other HEOs.

Gli ossidi ad alta entropia (High Entropy Oxides, HEOs) sono una emergente classe di materiali ad elevato disordine configurazionale. Il crescente interesse diffusosi nella comunità della scienza dei materiali è motivato dalle proprietà uniche di questi ossidi, tra le quali citiamo bassa conduttività termica, costante dielettrica colossale e conduttività superionica. Questo lavoro di tesi propone un innovativo studio sulle proprietà strutturali, elettroniche e magnetiche di prototipici HEOs basato sulla tecnica resonant inelastic x-ray scattering (RIXS). In particolare, abbiamo testato i composti a struttura rock-salt MgCuNiCoZnO (Mg-CNCZ) e CuNiCoZnO (CNCZ), il secondo ottenuto rimuovendo dal processo di sintesi il composto precursore MgO. Le misure RIXS sono state effettuate alla soglia L3 del rame, a diverse geometrie di scattering e polarizzazione incidente. Le eccitazioni di campo ligante, incluse le dd e le eccitazioni charge-transfer, evidenziano una considerevole distorsione di tipo Jahn-Teller delle unità ottaedriche CuO6, che risulta maggiore nel composto Mg-CNCZ, e ci permettono di stimare il guadagno energetico associato alla distorsione, un’informazione assente nella letteratura. La regione spettrale a bassa energia evidenzia picchi che possono essere assegnati a eccitazioni magnetiche. La caratteristica principale è l’osservazione del fatto che l’energia del picco magnetico in Mg-CNCZ è minore che in CNCZ, a causa della presenza di un extra ione non magnetico nel reticolo, che riduce, in media, la forza dell’interazione magnetica: sulla base di questa affermazione, possiamo spiegare quantitativamente le energie relative dei picchi magnetici nei due sistemi e notare che il RIXS sonda eccitazioni collettive che sono eccitate coerentemente nei siti risonanti. Alla luce di questo, abbiamo dato una spiegazione all’andamento delle eccitazioni magnetiche in funzione di variazioni di momento trasferito nel contesto del modello di Heisenberg, con un effettivo accoppiamento antiferromagnetico di approssimativamente 22 meV. Questo lavoro dimostra che il RIXS fornisce abbondanti informazioni sulle proprietà strutturali, elettroniche e magnetiche di Mg-CNCZ e CNCZ, e potrebbe eventualmente fare lo stesso per molti altri HEOs.