相分離Gd-,5-（Si-,x-Ge-,1-x-）-,4-體系的輸運行為與分步磁化研究.pdf

1、1997年，美國能源部Ames實驗室在Gd<,5>Si<,2>Ge<,2>合金中發(fā)現(xiàn)巨磁熱效應(yīng)，其磁熱性能比此前歷史上最好的Gd的熱磁效應(yīng)至少高出兩倍，可應(yīng)用于室溫磁致冷，具有綠色環(huán)保、節(jié)約和再生性，由此引發(fā)了人們對Gd<,5>(Si<,x>Ge<,1-x>)<,4>合金研究的極大興趣。后來，人們又在Gd<,5>(Si<,x>Ge<,1-x>)<,4>合金中相繼發(fā)現(xiàn)了巨磁阻、巨磁致伸縮、反常霍爾效應(yīng)等諸多新奇的物理性質(zhì)，進(jìn)而在關(guān)于該體系

2、奇異物理性質(zhì)的認(rèn)識和材料應(yīng)用方面，為物理學(xué)和材料科學(xué)家提出了新的研究課題，也揭開了對Gd<,5>(Si<,x>Ge<,1-x>)<,4>合金體系研究的研究熱潮。本文采用真空電弧熔煉技術(shù)，成功制備了系列Gd<,5>(Si<,x>Ge<,1-x>)<,4>合金，利用結(jié)構(gòu)分析和電磁等物性測量手段，研究了Gd<,5>(Si<,x>Ge<,1-x>)<,4>體系統(tǒng)的磁和電輸運特性，主要內(nèi)容有： 一、采用真空電弧冶煉技術(shù)，成功制備了Gd<,

3、5>(Si<,x>Ge<,1-x>)<,4>合金。熔煉過程是在氬氣保護(hù)環(huán)境下完成的。X-射線衍射(XRD)結(jié)構(gòu)分析表明，Gd<,5>Ge<,4>在室溫下是pnma空間群正交結(jié)構(gòu)，其晶格參數(shù)分別為a=77.040 nm，b=147.818 nm，c=77.992nm；Gd<,5>Si<,2>Ge<,2>在室溫下為單斜結(jié)構(gòu)；Gd<,5>Si<,4>在室溫下為正交結(jié)構(gòu)。 二、研究了Gd<,5>Ge<,4>合金在外加磁場誘導(dǎo)下磁化特性對

4、溫度的依賴關(guān)系。結(jié)果表明，Gd<,5>Ge<,4>在低溫下出現(xiàn)反鐵磁(AFM)和鐵磁(FM)共存現(xiàn)象，表現(xiàn)出一種相分離行為，隨著溫度的升高，在127 K發(fā)生奈爾反鐵磁轉(zhuǎn)變，且由于相分離導(dǎo)致了磁熱曲線在T<,N>=127 K的異?，F(xiàn)象。通過熱磁曲線分析表明，Gd<,5>Ge<,4>相分離的鐵磁成分比例在T<16 K下，具有約穩(wěn)定的1/5比例；在T>16 K溫區(qū)，隨著溫度的升高，鐵磁相成分下降；在T≥235 K鐵磁相成分完全消失。外加磁場誘

5、導(dǎo)下，Gd<,5>Ge<,4>在低溫下發(fā)生AFM→FM磁轉(zhuǎn)變，并導(dǎo)致了臺階式磁化現(xiàn)象發(fā)生。同時發(fā)現(xiàn)，這種由磁場誘導(dǎo)的臺階式磁化對外加磁場和溫度的循環(huán)表現(xiàn)出很強(qiáng)的不可逆性。在4.2-10 K溫度范圍，在第一次外加磁場增加過程中發(fā)生臺階式磁化轉(zhuǎn)變，在退磁場過程和第二次場循環(huán)中則未發(fā)現(xiàn)臺階式磁化轉(zhuǎn)變發(fā)生，表現(xiàn)出典型的不可逆性；在T=16 K下的磁化測量表明，在第一次和第二次加場磁循環(huán)過程中都發(fā)生了臺階式磁化轉(zhuǎn)變，但磁化轉(zhuǎn)變路徑和磁化臺階對應(yīng)的

6、磁場值則是不相同的，也表現(xiàn)出不可逆的磁滯行為，或者說是部分可逆的。在20-50 K溫度區(qū)域，連續(xù)兩次的磁循環(huán)所出現(xiàn)的臺階式磁化轉(zhuǎn)變則是完全可逆的。同時，研究發(fā)現(xiàn)這種臺階式磁化轉(zhuǎn)變寬度與誘導(dǎo)磁場的大小和掃描速率也存在有很強(qiáng)的依賴關(guān)系，這一臺階式磁化轉(zhuǎn)變現(xiàn)象在一定程度上可用疇壁位移和磁疇轉(zhuǎn)動的物理機(jī)制給予初步解釋。 三、研究了Gd<,5>Ge<,4>的電輸運行為和磁電阻效應(yīng)。結(jié)果表明，在T<,N>=127 K，伴隨著APM-PM轉(zhuǎn)變

7、，體系出現(xiàn)金屬．絕緣轉(zhuǎn)變。從電荷載流子可變程跳躍模型出發(fā)，高溫區(qū)域的實驗擬合結(jié)果說明，電荷載流子跳躍過程可能是導(dǎo)致高溫下負(fù)電阻溫度系數(shù)的主要原因，并且外加磁場對電荷載流子跳躍過程起著積極促進(jìn)作用。利用Fermi-liquid行為對低溫下輸運結(jié)果進(jìn)行了擬合，說明Gd<,5>Ge<,4>體系服從強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)相互作用特征。對體系磁電阻MR的研究表明，在不同的溫度范圍和外加磁場下，體系呈現(xiàn)出復(fù)雜的磁電阻行為。整體而言，磁電阻的大小隨溫度的升高