关键词:
反尖晶石结构
自旋玻璃态
磁交换作用
交换偏置效应
交换弹簧效应
摘要:
名义组分为Co2MO4(M为其它金属)的尖晶石结构Co基氧化物中,含有以氧四面体和以氧八面体为基本结构单元的A、B两套磁子晶格。由于A、B磁子晶格内部的磁性离子之间以及A与B磁子晶格之间的磁交换作用的不同,使其表现出丰富的磁性特征。本论文主要基于Co2SnO4系统,就Sn位非磁性离子以及磁性离子的掺杂对其磁性特征、低温自旋玻璃态行为等的影响以及由此引起的磁交换偏置效应开展系统的实验研究和分析。同时,对Co2Mn O4系统中Mn位Y掺杂对其磁性的影响以及由此引起的交换弹簧效应也开展实验研究和分析。论文主要工作及结果如下:(1)针对尖晶石结构的Co2SnO4单相样品,开展了不同磁场下的带场冷却(FC)和零场冷却(ZFC)的磁化率χFC(T)和χZFC(T)以及各个给定温度下的磁化回线的实验研究。χFC(T)和χZFC(T)的测量表明,样品在TC~42 K附近经历了由高温顺磁态到低温亚铁磁态的转变,随着温度降低到某一温度TB以下,样品中出现“自旋玻璃态”的冻结现象。交流磁化率峰值对应的温度随频率增加而向高温端移动,对TB温度以下自旋玻璃态相的形成提供了强有力的实验证据。伴随自旋玻璃相的形成,Co2SnO4系统的低温磁性出现一系列反常,如低温下具有负的ZFC磁化率、随场强增加ZFC磁化率由负变正、磁化回线从低于TC温度的较高温度时的磁滞回线随温度降低逐渐变成回线面积为零的直线等。基于奈尔分子场理论的定量分析表明,样品中A、B磁子晶格内部的磁性离子之间以及A与B磁子晶格之间的交换均为反铁磁交换。我们认为Co2SnO4系统中低温下复杂的磁行为与存在于其中的复杂磁交换作用以及低温自旋玻璃态的形成有关。(2)在Co2SnO4单相样品的基础上探讨了Sn位三价非磁性金属离子T3+(T=Al、Sc和Y)的掺杂对其磁性质的影响。结果表明,三价非磁性离子的掺杂,有助于提高样品的顺磁-亚铁磁转变温度TC以及TC温度以下的矫顽场HC和剩余磁化MR,从而使得低温下的磁性得以整体增强。我们解释这是因为三价非磁性金属离子的掺杂使得B磁子晶格中的Co2+离子部分变成Co3+离子所致。钴离子价态的这种变化不仅增加了离子的固有磁矩,而且增强了B磁子晶格内部以及B与A磁子晶格之间的交换作用。基于直流和交流磁化率的测量和分析,探讨了低温下自旋玻璃态的动力学行为。结果表明,掺杂一方面提高了自旋玻璃态的冻结温度,另一方面有助于自旋玻璃相体积的长大,后者有利于增加亚铁磁态和自旋玻璃态有效接触界面。利用界面处自旋玻璃相表面自旋对亚铁磁相自旋的有效钉扎,在掺杂样品中实现低温(T<20 K)下明显的磁交换偏置效应。伴随磁交换偏置效应,系统使得低温下的磁性大大增加。例如,10 K温度时的矫顽场HC从x=0时的HC~0分别增加到x=0.2时Al、Sc和Y掺杂样品的~2.1、1.3和2.9 k Oe。(3)在Co2SnO4单相样品的基础上探讨了Sn位三价磁性Fe3+离子的掺杂对Co2Sn1-xFexO4的磁性质的影响。χFC(T)和χZFC(T)的测量表明,在x≤0.3掺杂量范围,掺杂引起其磁转变温度的明显提高和铁磁性的明显增强,但磁行为与温度的依赖关系表现出和未掺杂样品相类似的行为。基于高温磁化率的居里-外斯拟合的分析表明,伴随Fe掺杂量的增加,系统中的磁交换作用从x<0.2时以反铁磁交换为主到x>0.2时以铁磁交换为主的转变,样品中起主导作用的交换作用的这一转变,使得较低掺杂量的Fe掺杂样品的磁滞回线特征明显不同于较高掺杂量的Fe掺杂样品。交流磁化率测量证实,低温下自旋玻璃态明显存在于x≤0.3的Fe掺杂样品中,但对x=0.4较高掺杂量的Fe掺杂样品,低温下的自旋玻璃态基本消失。利用亚铁磁-自旋玻璃相界处的自旋玻璃相中冻结的自旋对亚铁磁相表面自旋的钉扎,在较低掺杂量的Fe掺杂样品中低温下观察到明显增强的交换偏置效应,其中最强的交换偏置效应出现在x=0.2样品中,认为这一最强的交换偏置效应与x=0.2样品中兼有较强的铁磁和反铁磁交换作用有关。同时,以x=0.2样品为例,对冷却场和锻炼效应对交换偏置效应的影响也进行了实验研究并对实验结果进行了定性和定量的分析。(4)在Co2SnO4单相样品的基础上探讨了Sn位三价磁性Cr3+离子的掺杂对Co2Sn1-xCrxO4的磁性质的影响。磁化率测量表明,随着Sn位Cr掺杂,样品宏观磁性有所增强。居里-外斯亚铁磁理论的拟合分析表明,样品内相互作用由未掺杂时A、B磁子晶格间相互作用占据主导逐渐转变为样品内B磁子晶格内部的相互作用占据主导。交流磁化率实验表明,所有Cr掺杂样品均在低温下表现出自旋玻璃态冻结行为,且随着Cr掺杂量的增加,样品中出现向团簇自旋玻璃转变的趋势。特别值得一提的是,在Cr掺杂样品中,观察到明显的自发交换偏置效应,且随着Cr掺杂量的提高