若干強關(guān)聯(lián)電子體系中反常鐵磁行為的研究.pdf

1、磁性現(xiàn)象的研究是凝聚態(tài)物理中一個基礎(chǔ)但重要的領(lǐng)域。特別是在強關(guān)聯(lián)電子體系中，自旋自由度通常與電子軌道態(tài)、晶體和能帶結(jié)構(gòu)，以及電子輸運等性質(zhì)相互耦合、影響，造成許多豐富而且奇特的物理現(xiàn)象。對這些現(xiàn)象的研究有助于提高人們對強關(guān)聯(lián)電子體系中復(fù)雜相互作用的認識。因此，本論文對多個具有反常鐵磁性的強關(guān)聯(lián)電子體系進行了詳細的研究，揭示了其中反常鐵磁性以及相關(guān)現(xiàn)象的起因。
　　首先，我們研究了RTiO3(R=稀土)體系中自旋序和軌道序的相互耦合

2、，以及局域結(jié)構(gòu)畸變對它們的影響。在此體系中，隨著稀土離子半徑的連續(xù)減小，RTiO3中Ti3+(t2g1, S=1/2)離子的自旋序從反鐵磁(R=La, Pr, Nd, Sm)轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁(R=Gd,…, Lu, Y)。通過對一系列高質(zhì)量單晶樣品的熱導(dǎo)率測試，首次從實驗上證實了此體系中t2g軌道序的存在，而且與自旋序同時發(fā)生；結(jié)合對磁性和比熱數(shù)據(jù)臨界行為的分析，提出了局域結(jié)構(gòu)畸變對自旋序的改變具有重要影響，并給出了鐵磁有序時軌道序和自旋序的

3、形式。特殊的晶體場環(huán)境對自旋有序的行為具有重要影響。A位1:3占位有序的鈣鈦礦CaCu3Ge4O12就是一個典型的例子，其中A位的Cu2+(t2g6eg3, S=1/2)離子具有反常的平面四配位晶場環(huán)境，而且在Tc=12K發(fā)生鐵磁有序。通過對Tc附近磁性和比熱數(shù)據(jù)臨界行為的詳細分析，發(fā)現(xiàn)CaCu3Ge4O12是一個非常罕見的具有短程交換作用的三維伊辛鐵磁體。
　　然后，本論文重點對第二(4d)和第三(5d)過渡金屬鈣鈦礦氧化物中的

4、反常鐵磁現(xiàn)象進行了系統(tǒng)研究。在4d過渡金屬鈣鈦礦氧化物中，SrRuO3是發(fā)現(xiàn)的第一個鐵磁金屬，Tc高達165K，然而具有相同結(jié)構(gòu)的CaRuO3卻是順磁金屬。為了理解它們截然不同的磁行為，我們利用高溫高壓技術(shù)成功制備了一系列堿土釕酸鹽ARuO3鈣鈦礦(A=Ca→Sr→Ba)，不僅連續(xù)改變了A位堿土離子的平均半徑，而且在保持相同時引入離子半徑方差σ2，系統(tǒng)研究了此體系的磁有序溫度Tc和磁性臨界行為隨著、σ2、靜水壓和

5、非靜水壓，以及合成條件等因素的變化，揭示出ARuO3的鐵磁性對局域晶格應(yīng)力和無序非常敏感：只有當和的鍵長處于平衡狀態(tài)時Tc最高，無論鍵長受到壓縮還是拉伸應(yīng)力都會使Tc降低，而且臨界等溫磁化曲線的系統(tǒng)變化證明了ARuO3中鐵磁性的本質(zhì)是海森堡局域自旋磁性，而不是斯通納巡游電子磁性。在此工作的基礎(chǔ)上，我們繼續(xù)對Sr1-zPbzRuO3鈣鈦礦體系進行了研究，因為鐵磁性隨著Pb的摻雜迅速消失的問題沒有解決。我們同樣利用高溫

6、高壓技術(shù)制備了一系列樣品，通過系統(tǒng)測試分析結(jié)構(gòu)、磁性、電阻率和熱電勢等性質(zhì)，結(jié)合壓力下的實驗，澄清了Pb的6s孤對電子與Ru4d軌道電子的雜化使得能帶展寬，從而使鐵磁性迅速消失。在5d過渡金屬氧化物中，9R BaIrO3是發(fā)現(xiàn)的第一個鐵磁體，Tc高達180K，而且其鐵磁有序的同時伴隨著電荷密度波的形成。借助于高溫高壓技術(shù)，我們系統(tǒng)探索了9R BaIrO3在高壓下的結(jié)構(gòu)變化，發(fā)現(xiàn)了三個新相，即5H、6H和3C，其中5H相的結(jié)構(gòu)是通過從頭算

7、方法首次確定。通過系統(tǒng)研究它們的磁性、電學輸運和熱學等性質(zhì)隨著結(jié)構(gòu)的變化，發(fā)現(xiàn)隨著c軸方向共角連接的八面體數(shù)量的增加，能帶逐漸展寬，BaIrO3的基態(tài)從Tc=180K的鐵磁絕緣體(9R)，經(jīng)過Tc=50K的鐵磁金屬(5H)，轉(zhuǎn)變?yōu)榻咏孔优R界點的交換增強的順磁金屬(6H)。
　　最后，我們研究了巡游電子鐵磁體MnSi中量子臨界漲落對熱電勢的影響。其鐵磁有序溫度Tc隨壓力增加會降低，在Pc≈1.5 GPa時會降到零溫，壓力下的電阻率

8、測試表明在P> Pc時MnSi轉(zhuǎn)變?yōu)榉琴M米液體，即出現(xiàn)了量子臨界相變，從而備受關(guān)注。我們制備了MnSi單晶樣品，首次系統(tǒng)測試了其壓力下熱電勢S(T)的變化，發(fā)現(xiàn)S(T)在Pc附近顯著提高，并且符合S/T∝-lnT的關(guān)系，從而給出了熱電勢增強是來源于量子臨界漲落的重要實驗證據(jù)。
　　除了對各種反常鐵磁現(xiàn)象深入的研究，本論文還對具有層狀結(jié)構(gòu)的鈷氧化物NaCo2O4和Ca3Co4O9熱電材料進行了初步探索。我們利用冷高壓成型技術(shù)制備出具

9、有高度織構(gòu)的NaCo2O4陶瓷。相對于其它方法制備的陶瓷樣品，冷高壓成型后制備出的樣品具有較高的織構(gòu)度和致密度，使得電阻率降低，熱電勢提高，有助于提高熱電性能。對于Ca3Co4O9，我們發(fā)現(xiàn)其在TMS≈400K處的金屬-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變具有一級相變的特征，具體表現(xiàn)為電阻率曲線的熱滯、差熱分析曲線(DSC)上的吸熱/放熱峰，以及熱膨脹系數(shù)的尖峰。利用維里定理對此金屬-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變的一級相變特征進行了解釋，即[CoO2]平面內(nèi)巡游電子到局域電子的轉(zhuǎn)