Raman Study of CaB6

Abstract

CaB_(6)가 보이는 높은 Curie 온도의 약한 강자성의 정확한 원인은 아직 알려져 있지 않다. 붕소의 순도 99.9%(3N), 99.9999% (6N)로 달리하여 합성한 CaB_(6) (3N) 그리고 CaB_(6) (6N) 단결정은 서로 다른 전기적, 자기적 성질을 보이는 것으로 알려졌다. CaB_(6) (6N) 단결정은 강자성을 띄지 않고 CaB_(6) (3N) 단결정은 금속 비저항의 성질을 보이며 강자성을 띈다. 따라서 이 두 물질의 서로 다른 전기적, 자기적 성질의 원인을 찾는 것이 CaB_(6) 의 약한 강자성의 원인을 밝히는데 중요한 역할을 할 것이다. 라만 산란을 이용하여 두 단결정 CaB_(6) (3N) 과 CaB_(6) (6N)를 연구하였다. 두 단결정의 아주 작은 순도의 차이가 라만 산란에 어떠한 영항을 미치는가를 보았다. 측정 결과 두 시료의 라만 산란 결과는 서로 상이 하였다. CaB_(6) (6N)는 날카로운 세 개의 라만 포논 모드를 보인 반면 CaB_(6) (3N)는 전체적인 라만 피크가 높은 주파수로 이동하면서 새로운 피크들이 보였다. 이런 새로운 피크들을 저온 실험을 통해 분석하였다. CaB_(6) (3N)는 최소한 네 개의 라만 피크가 보이며 이들은 같은 단순 입방정계의 포논 모드인것으로 확인되었다. 이는 CaB_(6)의 대칭이 지역적으로 깨짐에 의해서 일어난 것으로 보인다. 이러한 지역적 대칭성 깨짐은 보론 팔 면체가 기울어지거나 회전함으로써 일어났으며, CaB6 (3N)과 CaB_(6) (6N)에서 보이는 전기적, 자기적 성질의 차이점을 근원적으로 밝히는데 도움을 주리라 본다.;The origin of high Curie temperature weak ferromagnetism of CaB_(6) has been debated actively. Two different kinds of CaB_(6) single crystals grown from boron purity 99.9 % (3N) and 99.9999 % (6N) are reported to have different electronic and magnetic property. According to the study, the CaB_(6) (6N) showed purely insulating behavior while the CaB_(6) (3N) showed ferromagnetism within a finite range of carrier density with metallic resistivity in the temperature range of 2 ≤ T ≤ 300 K. Therefore, it is natural to study the reasons for the difference in the electronic and magnetic properties of the two systems, which have the same macroscopic crystal structure with nearly identical constituents, in order to clarify origin of exotic ferromagnetism in CaB_(6) (3N). We report Raman scattering study of CaB_(6) (3N) and CaB_(6) (6N) single crystals. Our Raman spectra of CaB_(6) (3N) and CaB_(6) (6N) are significantly different from each other. Raman spectra of CaB_(6) (3N) are similar to those measured in previous works. The Eg mode of CaB_(6) (3N) consists of two components; Eg1 and Eg2. Two dimensional correlation analysis (2D-COS) provides that there are two or three phonon peaks in the broad T2g mode. However, the Raman spectra of CaB_(6) (6N) show sharp and symmetric peaks at significantly lower frequencies than the corresponding peaks of CaB_(6) (3N). Moreover, no additional peak feature is observed for the Eg mode so that the mode is symmetric in the case of CaB_(6) (6N). The T2g, Eg and A1g Raman modes of CaB_(6) (3N) follow their characteristic polarization dependences respectively. The existence of the two components of the Eg mode, along with the broadness of the T2g mode of the CaB_(6) (3N) support that there are more Raman active phonon peaks than the factor group analysis foresees. The appearance of the additional modes of CaB_(6) (3N) strongly suggests symmetry breaking of the ideal cubic structure of CaB_(6) (6N). We propose local symmetry breaking in the form of tilting/rotating of the boron octahedra. These structural changes in CaB_(6) (3N) may provide a clue for understanding the high Curie temperature weak ferromagnetism of CaB_(6) (3N).