磁场诱导制备Bi-Mn合金的结构和磁各向异性研究

摘要

极端条件下物理问题的研究，是当代科学技术的前沿领域之一。现代科学技术的不断进步使人们有可能探索这些极端外界条件下物质的行为及其变化规律，研究物质在这些极端外界条件下发生的变化有可能发现各种各样的物理、化学、生物现象和效应，在更深的层次上揭示新规律和机制，形成新概念，产生一系列重大的材料制备及物理特性新理论和新技术。探讨强磁场对材料微观结构和特性的影响机制是一个很有意义的研究课题。Bi-Mn合金作为一种典型的二元合金体系，它的凝固组织、性能随工艺条件特别是随磁场变化显著。因此，Bi-Mn合金是研究磁场对材料微观结构和特性影响的理想体系之一，探讨磁场对Bi-Mn合金物性的影响对于改善Bi-Mn合金的磁性能和基础研究都是很有意义的。 本文系统研究了诱导磁场制备下Bi-Mn合金的结构和磁特性以及强磁场下它的磁相变行为。通过磁场诱导技术，在Bi-Mn合金中，成功实现了MnBi低温相在Bi基体中的定向排列，通过磁特性的测量，研究了MnBi低温相的自旋重取向行为。结果表明，随制备过程中外加诱导磁场的增大，其自旋重取向温度略向高温区移动；而随测量过程中外加磁场的增大，自旋重取向温度逐渐向低温区移动；随测量磁场的逐步增加，可能出现了二次自旋重取向现象；在高的外加测量磁场下，自旋重取向特征消失；根据磁晶各向异性的微观理论定性解释了自旋重取向的物理机制，并系统分析了磁场对自旋重取向的影响。本文的主要内容包括： 一、在外加诱导磁场下，成功实现了MnBi低温相在Bi基体中的定向排列。利用X射线衍射技术和金相显微技术表征了样品的结构特征。结果表明，外加诱导磁场制备的Bi-Mn合金呈典型的双相结构和各向异性特征，MnBi低温相c轴沿外加诱导磁场方向定向排列。从金相结果分析和磁测量结果分析得到，随着外加诱导磁场的增大，MnBi低温相的定向程度越来越好，样品磁各向异性越来越大。通过分析得到，MnBi低温相在诱导磁场下定向排列是其内在磁晶各向异性的结果，而定向排列本身又增强了样品的宏观磁各向异性。同时，低温磁测量表明，随温度降低，MnBi低温相的单轴各向异性降低，而平面各向异性增大。矫顽力随温度的升高而增大，表现出正的温度系数。饱和磁化强度随温度的降低而曾大，这一结果与布洛赫的自旋波理论相一致。 二、低温磁测量表明，MnBi低温相在低温区存在自旋重取向行为。具体表现为，随温度的降低易磁化轴从c轴方向旋转到近ab平面内，其物理机制可能是随着温度的降低，MnBi晶格中电子云的分布在晶格中发生了变化从而影响了自旋和轨道耦合作用，引起了磁晶各向异性的改变。同时发现随着诱导磁场的增大，其自旋重取向温度略向高温移动。综合分析表明，诱导磁场并没有影响到MnBi低温相的晶格和电子结构。诱导磁场对MnBi低温相自旋重取向的影响，其本质是诱导磁场通过影响MnBi低温相在Bi基体中取向程度而实现的。 三、测量磁场对MnBi低温相自旋重取向有显著影响。当测量磁场小于10000Oe时，随着测量磁场的增加，自旋重取向温度逐渐向低温区移动，其峰形有向低温区展宽的趋势。当测量磁场达到15000Oe时，发现MnBi低温相的自旋排列在80K时，发生了自旋重新取向，从近c轴方向向ab平面内转动；而降温到40K时，发现MnBi的自旋排列可能发生了第二次重取向，又从近ab平面内向c轴方向转动。当测量磁场达到25000Oe时，自旋重取向现象消失，而在大约40-60K温度范围出现了一平台式响应，这反映了测量磁场与自旋重取向在此竞争达到平衡的结果。当测量磁场达到50000Oe时，测量磁场已经完全阻碍了MnBi的自旋重取向行为。最后，根据磁晶各向异性场理论，定性讨论了测量磁场对MnBi自旋重取向的影响。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及本论文使用授权声明

第一章文献综述

§1.1强磁场在物理学和材料科学中应用研究的现状

§1.2 Bi-Mn合金的物相结构和磁特性

§1.3 Bi-Mn合金材料的研究状况

§1.4本文的选题依据和主要研究内容

参考文献

第二章实验方法及原理

§2.1磁场诱导下Bi-Mn合金的制备

§2.2 Bi-Mn合金微结构分析

§2.3 Bi-Mn合金的磁性测量

第三章诱导磁场下Bi-Mn合金的微观结构和宏观磁各向异性

§3.1引言

§3.2样品微结构分析

§3.3 Bi-Mn合金微结构、磁性与诱导磁场的关系

§3.4 Bi-Mn合金低温磁特性

§3.5小结

参考文献

第四章诱导磁场对Bi-Mn合金低温下自旋重取向的影响

§4.1引言

§4.2低温区MnBi相的自旋重取向

§4.3诱导磁场对MnBi相自旋重取向行为的影响

§4.4小结

参考文献

第五章测量磁场对Bi-Mn合金低温下自旋重取向的影响

§5.1引言

§5.2外加测量磁场对MnBi相自旋重取向行为的影响

§5.3小结

参考文献

第六章结论与展望

§6.1结论

§6.2问题与展望

攻读硕士学位期间完成的研究论文

致谢

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