J. Phys. Radium 20, 155-159 (1959)
DOI: 10.1051/jphysrad:01959002002-3015500

On the influence of 3d4 ions on the magnetic and crystallographic properties of magnetic oxides

John B. Goodenough

Lincoln Laboratory, Massachusetts Institute of Technology

Abstract
After a brief reference to the physical basis for a tetragonal distortion (c/a > 1) of an octahedral anion interstice which is occupied by a cation with outer-electron configuration 3d4, the crystallographic properties of several Mn3+-containing oxides are given to illustrate the significance of this effect for determining the crystalline symmetry. A structure for the orthorhombic LiMnO2 phase is proposed which is consistent with the powder-pattern data reported in the literature. It is also pointed out that 3d4 cations may simultaneously couple ferromagnetically and antiferromagnetically with similar cations if the local octahedron is distorted to tetragonal symmetry. This effect is illustrated in both the perovskite-type and the spinel-type lattice. Also three different types of Mn3+ - Mn3+ interaction are illustrated. It is pointed out that the magnetic properties of several Mn3+-containing, perovskite-type oxides can be interpreted as due to this peculiar property of the Mn3+ ion.

Résumé
Un interstice octaédrique dans un réseau des anions devient tétragonal s'il est occupé par un cation ayant la configuration électronique externe 3d4. Après une courte référence à l'origine physique de cet effet, on l'illustre par les propriétés cristallographiques de plusieurs oxydes contenant les ions Mn3+. Une structure pour la phase orthorhombique de LiMnO2 est suggérée en accord avec les diagrammes de rayon-x donnés dans la littérature. On démontre également que les cations 3d 4 peuvent former simultanément des couples ferromagnétiques et antiferromagnétiques avec des cations similaires si l'interstice local est tétragonal. Cet effet est illustré à la fois dans le réseau cubique simple des cations 3d 4 et dans deux réseaux spinelles contenant dans les interstices octaédriques des cations Mn3+. Trois couplages magnétiques différents entre deux ions Mn3+ sont également mis en évidence. Cette propriété spéciale des ions 3d4 peut donner lieu au ferromagnétisme ou au ferrimagnétisme dans les réseaux perovskites contenant des cations Mn3+.

PACS
60 - CONDENSED MATTER: STRUCTURAL, MECHANICAL AND THERMAL PROPERTIES.
70 - CONDENSED MATTER: ELECTRONIC STRUCTURE, ELECTRICAL, MAGNETIC, AND OPTICAL PROPERTIES.
75 - Magnetic properties and materials.

Key words
crystal properties -- crystal structure -- ferromagnetic materials