低維鈷氧化物的磁性研究.pdf

1、一般認(rèn)為，低維反鐵磁自旋漲落可能是銅氧化物高溫超導(dǎo)體、重費(fèi)米子超導(dǎo)體、部分有機(jī)超導(dǎo)體和最近發(fā)現(xiàn)的鐵基超導(dǎo)體中超導(dǎo)配對(duì)機(jī)制的微觀起源，自1986年發(fā)現(xiàn)銅氧化物高溫超導(dǎo)體以來(lái)，低維磁性研究一直是凝聚態(tài)物理學(xué)科重要的研究方向之一。尋找更多低維磁性系統(tǒng)、及對(duì)其相關(guān)物性進(jìn)行更深入研究，為理解這些非常規(guī)超導(dǎo)電性的微觀機(jī)制提供不同的視角。低維磁性系統(tǒng)本身所呈現(xiàn)的許多奇異物理現(xiàn)象，如自旋能隙、自旋-派爾斯相變、磁振子的Bose-Einsteii凝聚等在

2、上述非常規(guī)超導(dǎo)體中也常常發(fā)生。另一方面，對(duì)于低維（特別是準(zhǔn)一維）磁性系統(tǒng)，已有許多理論模型給出了很好的描述，針對(duì)低維磁性物性許多實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，加深了對(duì)低維磁性物理的認(rèn)識(shí)。
　　 相對(duì)于其他的低維磁性化合物，低維鈷氧化物中鈷離子往往處于不同的價(jià)態(tài)和自旋態(tài)，從而呈現(xiàn)更加豐富的磁性質(zhì)。本論文選擇低維鈷氧化物作為研究對(duì)象,成功地生長(zhǎng)出三類(lèi)具有準(zhǔn)一維結(jié)構(gòu)的BaCoO3、Ba5Co5ClO13和Sr6Co5O15高品質(zhì)

3、單晶樣品,對(duì)其結(jié)構(gòu)、輸運(yùn)性質(zhì)和磁性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。另外,還針對(duì)具有二維三角格子結(jié)構(gòu)的NaxCoO2化合物,采用Ru對(duì)Co的部分替代,研究了其元素替代效應(yīng)。全文共分五章，第一章為文獻(xiàn)綜述及研究動(dòng)機(jī)，第二至五章對(duì)上述四大體系研究結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)討論。對(duì)其結(jié)果總結(jié)如下：
　　 (1)我們首次成功合成出具有準(zhǔn)一維結(jié)構(gòu)的BaCoO3單晶，并確認(rèn)了其結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：該化合物的電阻率-溫度關(guān)系在整個(gè)測(cè)量溫區(qū)內(nèi)均呈現(xiàn)典型的半導(dǎo)體行為，在高溫

4、時(shí)，其電阻率-溫度關(guān)系滿(mǎn)足熱激發(fā)模型，說(shuō)明它為能隙半導(dǎo)體，這與以前理論預(yù)測(cè)的Anderson局域行為不同。其磁化率呈現(xiàn)強(qiáng)烈的各向異性，而且證實(shí)了其15K的反鐵磁相變。這些結(jié)果與以前報(bào)道的多晶樣品有許多不同，反映了其本征性質(zhì)。
　　 (2)與以前文獻(xiàn)報(bào)道的單晶生長(zhǎng)方法不同，我們通過(guò)對(duì)其生長(zhǎng)方法的改進(jìn)，成功獲得了高質(zhì)量的Ba5Co5ClO13單晶樣品。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：其磁化率呈現(xiàn)強(qiáng)烈的各向異性，c方向的磁化率在108K附近呈現(xiàn)一峰值，

5、對(duì)應(yīng)于反鐵磁相變；盡管ab面磁化率在整個(gè)測(cè)量溫區(qū)內(nèi)均隨溫度的降低而增加，但在108K附近卻有一突然的增大。我們認(rèn)為這種磁化率的各向異性來(lái)源于其“塊”內(nèi)的鐵磁關(guān)聯(lián)和“塊”間反鐵磁關(guān)聯(lián)——這里的“塊”是由三個(gè)共面的CoO6八面體以及兩端共頂點(diǎn)的CoO6四面體組成。同時(shí)，我們也觀測(cè)到電阻率在108K附近的反常：c方向的電阻率有一微小的增加，而ab面內(nèi)電阻率卻有一小的下降，這與上述的磁結(jié)構(gòu)是一致的。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果澄清了以前有關(guān)該化合物的一些錯(cuò)誤

6、結(jié)論。
　　 (3)我們成功生長(zhǎng)出具有準(zhǔn)一維Co-O鏈結(jié)構(gòu)的Sr6Co5O15-δ及摻Ca的(Sr，Ca)-Co-O單晶,在此基礎(chǔ)上對(duì)其磁性質(zhì)和輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。對(duì)于未摻雜的Sr6Co5O14.7樣品,其磁化率-溫度關(guān)系曲線(xiàn)在27K附近出現(xiàn)一極大值,呈現(xiàn)典型的自旋能隙行為。同時(shí)c軸方向磁化率比ab面內(nèi)磁化率大一個(gè)數(shù)量級(jí),呈現(xiàn)強(qiáng)烈的各向異性。其電阻率測(cè)量結(jié)果表明,c方向電導(dǎo)在100K附近發(fā)生了三維到一維導(dǎo)電行為的轉(zhuǎn)變：在10

7、0K以下,其c軸方向的電阻率-溫度關(guān)系滿(mǎn)足典型的一維變程跳躍電導(dǎo)機(jī)制,同時(shí)在100K以下,其電阻率的各向異性增加了3個(gè)數(shù)量級(jí),也證實(shí)了這種一維導(dǎo)電行為。對(duì)熱電勢(shì)測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)該化合物在200K以上呈現(xiàn)巨熱電勢(shì)效應(yīng),是一個(gè)有應(yīng)用前景的熱電勢(shì)材料。微量Ca(x=0.079)對(duì)Sr的替代不改變其結(jié)構(gòu),對(duì)其磁性質(zhì)和輸運(yùn)性質(zhì)影響不大,只是輸運(yùn)行為上原來(lái)100K的相變降到了80K。對(duì)于較高濃度(x=0.246)Ca對(duì)Sr的替代樣品,樣品中的Co-O鏈

8、結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,在低溫時(shí)未發(fā)現(xiàn)有自旋能隙行為,并且電阻率-溫度關(guān)系呈現(xiàn)為典型的局域化行為。遺憾的是,Ca對(duì)Sr的部分替代沒(méi)有改善熱電性質(zhì)。
　　 (4)對(duì)于Na0.75Co1-xRuxO2體系,結(jié)果發(fā)現(xiàn)x0.5時(shí),該樣品仍保持單相。體系的晶胞參數(shù)隨Ru含量x值的增加而增大,并且其輸運(yùn)性質(zhì)在x=0.02左右發(fā)生了一個(gè)金屬-絕緣體相變,當(dāng)x0.02時(shí),Ru的部分替代在CoO2面內(nèi)形成無(wú)序,其電阻率溫度關(guān)系呈現(xiàn)Anderson無(wú)序行為。