Electronic correlations inFeGa3and the effect of hole doping on its magnetic properties

Abstract

We investigate signatures of electronic correlations in the narrow-gap semiconductor FeGa 3 by means of electrical resistivity and thermodynamic measurements performed on single crystals of FeGa 3 , Fe 1−x Mn x Ga 3 , and FeGa 3−y Zn y , complemented by a study of the 4d analog material RuGa 3 . We find that the inclusion of sizable amounts of Mn and Zn dopants into FeGa 3 does not induce an insulator-to-metal transition. Our study indicates that both substitution of Zn onto the Ga site and replacement of Fe by Mn introduces states into the semiconducting gap that remain localized even at highest doping levels. Most importantly, using neutron powder diffraction measurements, we establish that FeGa 3 orders magnetically above room temperature in a complex structure, which is almost unaffected by the doping with Mn and Zn. Using realistic many-body calculations within the framework of dynamical mean field theory (DMFT), we argue that while the iron atoms in FeGa 3 are dominantly in an S = 1 state, there are strong charge and spin fluctuations on short-time scales, which are independent of temperature. Further, the low magnitude of local contributions to the spin susceptibility advocates an itinerant mechanism for the spin response in FeGa 3 . Our joint experimental and theoretical investigations classify FeGa 3 as a correlated band insulator with only small dynamical correlation effects, in which nonlocal exchange interactions are responsible for the spin gap of 0.4 eV and the antiferromagnetic order. We show that hole doping of FeGa 3 leads, within DMFT, to a notable strengthening of many-body renormalizations.

Magnetic order of intermetallicFeGa3−yGeystudied byμSRand<

“…A recent example is the electron doping of the intermetallic FeGa 3 that leads to enhanced thermoelectric figures of merit [2][3][4][5][6][7][8][9][10] and to emergent magnetic behavior accompanied by the possible observation of a Ferromagnetic Quantum Critical Point (FMQCP) [11][12][13][14][15][16][17][18][19][20][21] .…”

“…FeGa 3 is a semiconductor with tetragonal structure (space group P 4 2 /mnm) 2 and a narrow band gap of approximately 0.5 eV caused by the hybridization of the 3d Fe and 4p Ga bands [2][3][4]16,24,25 . It is diamagnetic over a broad temperature range and has a small Sommerfeld coefficient (γ =0.03 mJ mol K ) 3,11,16 .…”

Исследование структуры электронных состояний соединений FeGa-=SUB=-3-=/SUB=- и RuGa-=SUB=-3-=/SUB=- методом оптической спектроскопии

“…Это обстоятельство неиз-бежно приводит к появлению в оптической проводимо-сти слабого отклика, вызванного возбуждением коллек-тивизированных электронов полем световой волны. Па-раметры энергетической щели в FeGa 3 и RuGa 3 (глубина и ширина) существенно зависят от температуры, мето-дов синтеза образцов, наличия дефектов и примеси, от-клонения от стехиометричности [12][13][14][15][16], что приводит к значительным изменениям их электронных и магнитных свойств. По-видимому, проявление слабого оптического поглощения в низкоэнергетическом диапазоне спектра также связано с одним из указанных выше факторов.…”

“…Результаты расчетов электронной структуры использовали при интерпрета-ции магнитных и транспортных свойств FeGa 3 и RuGa 3 . В частности, аномалия зонного спектра, связанная с энергетической щелью на E F , определяет поведение температурных зависимостей удельной теплоемкости, электросопротивления, эффекта Холла, коэффициента Зеебека [4][5][6][12][13][14][15][16]. Подобная щель (≤ 0.8 eV) была за-фиксирована в фотоэмиссионных спектрах FeGa 3 [17,18].…”

“…Подобная щель (≤ 0.8 eV) была за-фиксирована в фотоэмиссионных спектрах FeGa 3 [17,18]. В работах [6,[12][13][14][15][16] показано, что температура и нали-чие примесей различных элементов существенно вли-яют на эволюцию параметров энергетической щели, которая принимает характер псевдощели, что, в свою очередь, вызывает изменения в поведении физических характеристик. Кроме того, на электронные и магнит-ные свойства FeGa 3 и RuGa 3 влияют методы синтеза, степень дефектности и нестехиометричность образцов.…”