J. Phys. France 39, 1125-1133 (1978)
DOI: 10.1051/jphys:0197800390100112500

Magnetic properties and instability phenomena in doped Euo

A. Mauger¹, C. Godart², M. Escorne¹, J.C. Achard² et J.P. Desfours<sup>3

1</sup>  CNRS Laboratoire de Physique du Solide, 1 pl. A. Briand 92190 Bellevue-Meudon
²  CNRS ER 209 Equipe de Chimie Métallurgique et Spectroscopie des Terres Rares 1 pl. A. Briand, 92190 Bellevue-Meudon
³  C.E.E.S. Université des Sciences et Techniques du Languedoc, 34060 Montpellier

Abstract
The influence of free carriers concentrations on magnetic properties of EuO single crystals has been studied. Increasing electronic concentrations from quasi stoichiometric EuO have been achieved by departure from stoichiometry (Eu rich EuO) and by doping (2 % Gd doped EuO). The magnetization of bulk samples, characterized by transport measurements, has been measured with a vibrating sample magnetometer. For low doping, magnetization curves do not depart from the Brillouin law, with a Curie temperature Tc = 69.4 K. On the contrary, for heavily Gd doped sample, Tc increases up to 143 K and the reduced magnetization is smaller than that expected from the Brillouin law. We propose a model taking into account both the superexchange interaction which explains the magnetic behaviour of insulating EuO and an indirect exchange due to the conduction electrons in semiconducting and metallic samples. The main feature is that, contrary to usual models we take into account the carrier statistics, i.e. splitting of spin subbands and spread out of the Fermi level. There is a good quantitative agreement between theory and experiment for heavy doping (n > 1.5 x 1020 cm -3). For a low doping (n < 1.5 x 1020 cm-3 ), the model predicts a first order magnetic transition. This model, considering only magnetic interactions, shows that it becomes energetically favourable for the electron system to create bound magnetic polarons at T > 40 K. Then a metal insulator transition occurring near this temperature suppresses the indirect exchange mechanism and the correlated first order magnetic transition.

Résumé
Nous avons étudié l'influence de la concentration de porteurs libres sur les propriétés magnétiques de monocristaux de EuO. L'accroissement des concentrations électroniques à partir de EuO quasi stoechiométrique a été obtenu par écart à la stoechiométrie (EuO riche en Eu) et par dopage (EuO dopé à 2% en Gd). L'aimantation des échantillons massifs caractérisés par des mesures de transport a été mesurée avec un magnétomètre vibrant. Pour les faibles dopages, les courbes d'aimantation ne diffèrent pas de celle donnée par la loi de Brillouin, avec une température de Curie de 69,4 K. Au contraire, pour l'échantillon très dopé au Gd, Tc atteint 143 K et l'aimantation réduite est plus petite que celle prévue par la loi de Brillouin. Nous proposons un modèle prenant en considération à la fois l'interaction de super-échange responsable des propriétés magnétiques de EuO isolant, et l'échange indirect dû aux électrons de conduction pour les échantillons semiconducteurs et métalliques. Le point essentiel est que, contrairement aux modèles classiques, nous tenons compte de la statistique des porteurs, i.e. la séparation des sous-bandes de spin et l'élargissement du niveau de Fermi. Nous trouvons un bon accord quantitatif entre la théorie et l'expérience pour les forts dopages (n > 1,5 x 1020 cm-3). Pour les faibles dopages (n < 1,5 x 1020 cm-3), le modèle prédit une transition magnétique du premier ordre. Ce modèle ne considérant que les interactions magnétiques montre qu'il devient énergétiquement favorable pour les électrons de créer des polarons magnétiques à T > 40 K. Une transition métal-isolant apparaissant alors au voisinage de cette température supprime le mécanisme d'échange indirect et la transition magnétique du premier ordre qui lui est associée.

PACS
7530E - Exchange and superexchange interactions.
7550D - Nonmetallic ferromagnetic materials.

Key words
europium compounds -- ferromagnetic properties of substances -- gadolinium -- magnetic semiconductors -- magnetisation -- superexchange interactions