J. Phys. France 39, 965-979 (1978)
DOI: 10.1051/jphys:01978003909096500

Crystallographic and Mössbauer study of zinc blende type FeS

M. Wintenberger¹, B. Srour², C. Meyer², F. Hartmann-Boutron² et Y. Gros<sup>2

1</sup>  D.R.F./D.N. Centre d'Etudes Nucléaires de Grenoble, B.P. 85X, 38041 Grenoble, France
²  Laboratoire de Spectrométrie Physique , Université de Grenoble I, B.P. 53X, 38041 Grenoble, France

Abstract
Until a few years ago two main phases of FeS were known : a hexagonal phase which is antiferromagnetic and semi metallic, and a tetragonal phase which is non magnetic. We present here the results of a crystallographic and Mössbauer study of the new cubic zinc blende type phase which was discovered recently. This phase is unstable at room temperature. When the temperature is decreased it undergoes a first order crystallographic transition (cubic → orthorhombic) at about 234 K. The Mössbauer effect has shown that at all temperatures the new phase is apparently ionic, with high spin Fe++ ions. Above 234 K it is paramagnetic and below 234 K it exhibits a first order magnetic transition to an ordered collinear phase in which the magnetic moments are all parallel to one of the axes of the orthorhombic cell. Various mechanisms have been examined in order to interpret the first order magnetocrystalline transition at 234 K : standard exchange magnetostriction ; Jahn-Teller effect involving the Γ3 orbital doublet, in association with exchange magnétostriction or generalized exchange and so on, but we could not arrive at a definite conclusion. As expected the volume per FeS formula increases in going from the semi metallic hexagonal phase to the non magnetic tetragonal phase, and from the tetragonal phase to the ionic high spin cubic phase. The properties of the tetragonal phase, which had been interpreted as covalent, could perhaps also be described in terms of low spin ferrous ions (strong crystalline field case).

Résumé
Jusqu'à présent, on connaissait essentiellement deux phases de FeS : une phase hexagonale, antiferromagnétique et semi-métallique et une phase tétragonale non magnétique. Nous présentons ici l'étude cristallographique et par effet Mössbauer de la nouvelle phase cubique de type blende qui a été découverte il y a quelques années. Cette phase est instable à l'ambiante. Quand la température décroît, elle subit une transition cristallographique du premier ordre aux environs de 234 K, passant de la structure blende cubique à une structure orthorhombique. L'effet Mössbauer a montré qu'à toute température la nouvelle phase est apparemment ionique et qu'elle contient des ions ferreux de haut spin. Au-dessus de 234 K, elle est paramagnétique et au-dessous elle subit une transition magnétique du premier ordre vers une phase ordonnée colinéaire où tous les moments magnétiques sont parallèles à l'un des côtés de la maille orthorhombique. Divers mécanismes ont été envisagés en vue d'expliquer la transition magnétocristalline du premier ordre à 234 K : magnétostriction d'échange classique ; effet Jahn-Teller mettant en jeu le doublet orbital Γ 3, associé à de la magnétostriction d'échange ou de l'échange généralisé, etc., mais nous n'avons pas pu arriver à une conclusion définie. Comme on pouvait le prévoir, le volume par motif FeS augmente lorsqu'on passe de la phase hexagonale semi-métallique à la phase tétragonale non magnétique et de celle-ci, à la phase cubique ionique de haut spin. Les propriétés de la phase tétragonale, que l'on a attribuées à de la covalence, pourraient peut-être aussi être décrites en termes d'ions ferreux bas spin (cas de champ cristallin fort).

PACS
6470K - Solid-solid transitions.
6166F - Inorganic compounds.
6470K - Solid-solid transitions.

Key words
crystal atomic structure of inorganic compounds -- exchange interactions electron -- iron compounds -- Jahn Teller effect -- magnetic transitions -- magnetostriction -- Mossbauer effect -- solid state phase transformations