磁场诱导MnBi体系的磁各向异性与自旋重取向相变研究

摘要

物质的磁性及其磁相互作用为现代物理学极其重要而又活跃的研究领域之一，也是先进材料、信息技术和自动化技术等高新技术的重要基础。极端条件下(如极低温、强磁场、高压等)凝聚态物质结构和性质的研究，已成为当今物理学、材料学和信息科学关注的热点。作为一种新型的冷物理场，磁场在凝聚态物理和材料物理研究领域得到了广泛的应用，磁场特别是强磁场下材料的制备和物性研究也正日益受到人们的重视。在这一研究过程中，人们发现，磁场作为一种无破坏性的敏感微扰，可以在磁通量子尺度范围内改变电子的轨道和相结构，从而改变一个系统的自旋和带电粒子的运动状态，最终改变整个物理系统的宏观动力学状态，并导致新的物理特性。近年米在强磁场下发现了许多新奇而有趣的物理现象，如磁场诱导的结构相变和量子相变等，而对产生这些现象物理机制的认识尚不明朗，大量亟待解决的问题需要物理和材料科学家去进行深入的研究和澄清。本论文工作首先以Bi-Mn合金为研究对象，运用磁场这一有效的手段从制备、结构和磁特性等方面对MnBi化合物和MnBi-Bi复合物进行了系统的研究；其次，较为系统地研究了两类铁基纳米晶软磁合金Fe-(Co，Ni)的结构和磁特性。论文主要包括以下几方面的内容： (1)运用磁场诱导技术，在较弱的0.5T磁场下成功制备出了Bi-6wt％Mn合金，与无制备磁场时相比，此合金具有明显的织构化结构和较强的磁各向异性的特征。通过光学显微镜、SEM、XRD和磁性测量等研究方法和手段，系统研究了强织构样品的结构和磁特性。结果发现，MnBi低温相(LTP)的基平面垂直于制备磁场排列，而c轴方向平行于制备磁场。150K时MnBi化合物的各向异性场约2.5T，而300K时各向异性场增加至5T左右，表明MnBi的各向异性场随着温度的升高而具有增加的趋势。强织构样品沿制备磁场的饱和磁化强度Ms一直随着温度的升高而减小，而对矫顽力来说，温度高于150K时矫顽力HC随着温度的升高而增加，低于150K时HC随着温度的升高而略微减小。剩余磁化强度Mr和Mr/Ms随温度变化的趋势基本相同：150K以上二者随着温度的升高而增加，而150K以下，二者基本趋近于零。运用磁晶各向异性的唯象理论，解释了MnBi矫顽力随温度升高而增加的反常现象及其MnBi发生自旋重取向的机制。 (2)研究了不同制备磁场对Bi-6wt％Mi合金的结构、磁特性和自旋重取向的影响，首次发现低于0.5T的制备磁场不但能提高MnBi的排列取向程度，增大了样品的磁化强度的变化，并使得自旋重取向相变温度提高；制备磁场高于0.5T时，样品的织构化取向程度、磁化强度的变化和自旋重取向温度趋于饱和；制备磁场对样品的取向程度、磁化强度的变化和自旋重取向温度的影响具有类似的变化规率；发现制备磁场不但使MnBi化合物，而且也使Bi基体的结晶程度均得到明显提高，表明磁场对铁磁性和抗磁性物质结晶均具有明显的作用。同时对制备磁场对结晶程度、织构化取向程度、磁化强度的变化和自旋重取向温度影响的物理机理给予了初步解释。 (3)在较强的10T磁场下通过淬火制备出了Bi-6wt％Mn合金，研究了该样品的结构和磁特性，结果表明：在样品垂直磁场的截面上，MnBi淬火高温相(QHTP)晶体基本呈现为较规则的六方形，分布均匀，而在平行磁场的截面上，QHTP基本为四边形的块状；样品中QHTP的易磁化轴在凝固过程中倾向于沿外加磁场方向，所得样品具有较强的磁各向异性；不同频率下的热磁曲线显示出QHTP磁化强度实部的尖峰随磁场频率的增加向低温移动。 (4)在不同磁场下研究了MnBi低温相的相变行为，首次发现了MnBi化合物体系的顺磁-铁磁相变点温度与自旋重定向温度随外加磁场变化的定量规律：磁场使顺磁-铁磁相变点温度以～2.1K/T速度升高，而沿c轴施加的磁场以～6K/T降低了自旋重取向相变点的温度。从实验资料出发，首次给出了MnBi低温相的磁相图。从热力学的角度，唯象的给出了磁场影响相变的物理机理。以上研究为提高MnBi化合物的实际应用性能，进一步澄清磁场对相变影响的物理机制与从本质上澄清其微观过程和影响规律，提供了重要的基础研究资料，为磁场下材料制备、研究与应用给予了有益的指导。 (5)此外，我们利用高能球磨的方法成功制备出了纳米品铁钴和铁镍合金，并系统研究了材料的结构及磁特性。结果表明，Fe-Co样品具有单一的BCC结构，Fe-Ni则会出现BCC和FCC共存的情况，Fe-Co样品的晶粒尺寸在10～13nm之间，并随着应变的增大线性增大，而Fe-Ni样品的晶粒尺寸在6～26nm之间，随着应变的增大指数增大；样品的截止频率越大，起始磁导率越小；Fe-Ni合金表现出共振型的频谱，而Fe-Co合金表现出驰豫型的频谱，Ni掺杂降低了样品的截止频率，而Co掺杂提高了截止频率；对于所有样品来说，起始磁导率与矫顽力成反比例关系；10kHz时样品的起始磁导率在掺杂量7.69at％时出现极大值，矫顽力出现最小值。对于Fe-Co来说，损耗角的最小值随着Co含量的增加逐渐向高频区域移动，当频率高于1MHz时，损耗角随着球磨时间的增加而减小，频率在800kHz到20MHz时，损耗角随着Co含量增加而减小；而对于Fe-Ni合金来说，晶粒尺寸和晶格应变随Ni含量的变化具有相同的规律，矫顽力随着品格应变的增加而减小；纳米品合金的磁矩值不但小于Siater-Pauling曲线预言的数值，而且变化趋势也不相符；掺杂元素、随机取向颗粒的大小和纳米粉的品格应变对合金磁性有着重要的影响。本部分研究为磁性纳米体系物理机制的理解和材料应用提供了有价值的基础实验资料。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及本论文使用授权说明

第一章文献综述

第二章实验方法和原理

第三章磁场诱导的织构化Bi-Mn合金的结构和磁性研究

第四章制备磁场对Bi-Mn合金结构、磁性和自旋重取向的影响

第五章磁场诱导的MnBi化合物磁性相变研究

第六章纳米晶软磁合金的结构与磁特性研究

第七章结论与展望

攻读博士学位期间完成的研究成果目录

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