稀土鈦酸鹽R2Ti2O7(R-Dy-Tb,Nd)自旋動(dòng)力學(xué)行為的交流磁化率研究.pdf

1、稀土鈦酸鹽R2Ti2O7(R=Y、鑭系元素)是一類具有豐富物理性質(zhì)的材料。含較小的稀土離子(Y3+,Sm3+-Lu3+)的燒綠石結(jié)構(gòu)(pyrochlore)和較大稀土離子(La3+-Nd3+)的單斜結(jié)構(gòu)(monoclinic),是R2Ti2O7的兩種主要結(jié)構(gòu)。燒綠石結(jié)構(gòu)R2Ti2O7具有幾何阻挫,加上各種能標(biāo)(包括晶體場(chǎng),磁交換,以及磁偶極)的相互作用,這類材料中出現(xiàn)了奇異的磁狀態(tài),包括自旋冰和自旋液體。而單斜結(jié)構(gòu)的R2Ti2O7的鐵電

2、性、光催化等性質(zhì)受關(guān)注較多,其磁行為的研究則較少。本論文以交流磁化率測(cè)量為主要手段,分別研究了R2Ti2O7中燒綠石結(jié)構(gòu)的DyxTb2-xTi2O7和單斜結(jié)構(gòu)的Nd2Ti2O7的自旋動(dòng)力學(xué)行為。
　　 DyxTb2-xTi2O7體系中包含的x=0,2.0的兩個(gè)組分,分別是自旋冰材料Dy2Ti2O7和自旋液體材料Tb2Ti2O7,是兩個(gè)當(dāng)前被重點(diǎn)研究的具有代表性的燒綠石結(jié)構(gòu)幾何阻挫體系。由于兩者的基態(tài)自旋冰態(tài)和自旋液體態(tài)對(duì)外界的影

3、響(例如外壓,磁場(chǎng))較為敏感,我們研究在Dy、Tb自旋共存的DyxTb2-xTi2O7體系中是否可能存在新的物理現(xiàn)象。我們周交流磁化率測(cè)量系統(tǒng)地研究了OyxTb2-xTi2O7(x∈[0,2])體系的動(dòng)態(tài)磁行為。除觀察到已知的來源于Dy3+的單離子效應(yīng)的凍結(jié)峰(Ts峰)外,我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的與Tb3+有關(guān)的類自旋凍結(jié)峰(freezing-like peak)。T*峰具有符合Arrhenius law的頻率依賴關(guān)系,屬于熱激發(fā)的弛豫過程。

4、我們提出T*峰的機(jī)制起源于Tb3+自旋的晶體場(chǎng)的低能能級(jí),晶體場(chǎng)構(gòu)型隨著組分x的不同而變化,由此解釋了T*(x)的相圖。不僅如此,Ts峰和T*峰都顯示出很強(qiáng)的磁場(chǎng)依賴關(guān)系,尤其是在零場(chǎng)下兩者的消失,意味著DyxTb2-xTi2O7中很可能存在強(qiáng)烈的磁彈耦合(magnetoelastic coupling)。DyxTb2-xTi2O7中T*峰的發(fā)現(xiàn),體現(xiàn)了該體系豐富的低溫動(dòng)態(tài)磁行為,為這類多種稀土自旋共存的幾何阻挫的體系的研究提供了實(shí)驗(yàn)基

5、礎(chǔ)。
　　 R2Ti2O7的結(jié)構(gòu)隨著R位稀土元素離子半徑的增大,從燒綠石相變?yōu)閱涡毕?。我們?duì)其中的Nd2Ti2O7進(jìn)行了深入研究。我們表征了Nd2Ti2O7的源于晶體場(chǎng)的順磁各向異性,將外斯溫度θW中包含的交換相互作用的貢獻(xiàn)θex和晶體場(chǎng)的貢獻(xiàn)θCF分離開來。θex的數(shù)值遠(yuǎn)高于磁相變溫度,說明Nd2Ti2O7在不具有幾何阻挫的情況下,仍存在較強(qiáng)的磁阻挫。Nd3+自旋基態(tài)4I9／2在晶體場(chǎng)作用下分裂為五個(gè)Kramers雙態(tài)。雙態(tài)在

6、外磁場(chǎng)作用下分裂為兩個(gè)單態(tài),其中能量最低的雙態(tài)主導(dǎo)了Nd2Ti2O7的低溫比熱。零場(chǎng)磁熵的測(cè)量得到了Rln2的熵值,與Nd3+自旋由其晶體場(chǎng)雙態(tài)基態(tài)(ground state doublet)決定的Ising性質(zhì)相符。更重要的是,通過交流磁化率的測(cè)量,我們?cè)贜d2Ti2O7的順磁態(tài)中發(fā)現(xiàn)了新奇的場(chǎng)致慢自旋弛豫現(xiàn)象。La3+對(duì)Nd3+自旋的稀釋效應(yīng)說明場(chǎng)致慢自旋弛豫來源于自旋關(guān)聯(lián)作用。同時(shí),我們也觀察到在磁相變溫度0.58 K以上已經(jīng)有約

7、50％的磁熵凍結(jié),意味著在磁相變溫度以上形成了自旋關(guān)聯(lián)區(qū)域。自旋稀釋實(shí)驗(yàn)和加壓實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步揭示了Nd2Ti2O7豐富的自旋動(dòng)態(tài)行為。基于這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果,我們提出,Nd2Ti2O7的場(chǎng)致慢自旋弛豫來源于被磁場(chǎng)部分極化的自旋通過自旋關(guān)聯(lián)作用形成的自旋關(guān)聯(lián)區(qū)域所具有的集體過程。Nd2Ti2O7的順磁態(tài)的場(chǎng)致慢自旋弛豫是首次在該類材料中發(fā)現(xiàn)的新奇磁行為,是繼Dy2Ti2O7及Tb2Ti2O7在高場(chǎng)下的自旋關(guān)聯(lián)現(xiàn)象之后,另一個(gè)順磁態(tài)下的自旋關(guān)聯(lián)的宏觀

8、效應(yīng)。我們也進(jìn)一步研究了Y摻雜的Nd2Ti2O7,通過離子半徑較小的Y3+將Nd2-xYxTi2O7體系穩(wěn)定在具有幾何阻挫的燒燒綠石結(jié)構(gòu)。交流磁化率測(cè)量顯示樣品的場(chǎng)致慢自旋弛豫依然存在。因而,Nd2Ti207的場(chǎng)致慢自旋弛豫與材料的具體晶體場(chǎng)構(gòu)型(crystal field scheme)無關(guān)。我們提出,自旋集體行為不僅存在于Dy2Ti2O7和Tb2Ti2O7這樣的具有高基態(tài)簡并度的集體順磁體(cooperative paramagne