Mössbauer study of ⁵⁷Fe-doped La _2-xSr _xCuO ₄ : local magnetic properties in the semiconducting, superconducting and normal metallic regions of the phase diagram

(Received 28 February 1992, accepted 24 March 1992)

Abstract
From Mössbauer and resistivity measurements on ⁵7Fe-doped La _2-xSr _xCuO ₄, we have explored the phase diagram of the series for and  K and we have studied the local magnetic properties in the semiconducting, superconducting, and normal metallic phases. The most outstanding result concerns the coexistence over part ( ) of the total ( ) superconducting range of two different fractions showing different local behaviours. The first fraction corresponds to intrinsic spin-freezing, below  K, in the Cu sublattice. The relative sample volume of this fraction which is attributed to semiconducting domains decreases as x increases. In the second fraction which is presumably superconducting, there is no evidence of intrinsic Cu moments, however iron induced local magnetic order is present. In the semiconducting fraction the Cu magnetic moments remain essentially parallel to the basal plane, while in the superconducting fraction the iron-induced local magnetization moves towards the c axis as x increases. We have performed accurate ⁵⁷Fe hyperfine measurements in an argon annealed quasi-stoichiometric La ₂CuO ₄ sample and we have observed an abrupt variation of the magnetization near the Néel temperature. In an air annealed La ₂CuO _4+y sample, we have evidenced the presence of oxygen interstitials and we have shown that the effective interlayer magnetic coupling is strongly reduced with respect to the y=0 sample.

Résumé
A partir de mesures de spectrométrie Mössbauer et de résistivité, nous avons exploré le diagramme de phase de la série de composés La _2-xSr _xCuO ₄ dopés en ⁵⁷Fe et nous avons étudié les propriétés magnétiques locales dans les phases semiconductice, supraconductrice et métallique normale. Nous avons notamment observé la coexistence de deux fractions présentant un comportement local différent, dans une partie importante ( ) de la zone supraconductrice totale ( ) : dans la première fraction, dont le volume relatif détroit quand x augmente, un gel de spins intrinsèque apparaît au-dessous de 8 K dans le sous réseau du cuivre; nous attribuons cette fraction à des domaines semiconducteurs. Par contre, il n'apparaît pas de moment magnétique intrinsèque du cuivre dans la seconde fraction, présumée supraconductice, mais on y observe un ordre magnétique local induit par le fer. Dans les régions semiconductices, les moments magnétiques de Cu restent essentiellement parallèles au plan de base, alors que dans la fraction supraconductrice l'aimantation locale induite par le fer se rapproche de l'axe c lorsque x augmente. Nous avons réalisé des mesures hyperfines précises sur ⁵⁷Fe dans un échantillon quasi-stoechiométrique de La ₂CuO ₄ recuit sous argon et observé une décroissance abrupte de l'aimantation à la température de Néel. Dans un échantillon de La ₂CuO _4+y recuit dans l'air, nous avons mis en évidence la présence d'intersticiels d'oxygène et montré que le couplage magnétique effectif entre les couches était fortement réduit par rapport à l'échantillon où .