铈基磷族化合物中磁性和近藤效应的研究

摘要

磁性和近藤(Kondo)效应是强关联电子系统中的两个重要角色。经典的Doniach相图告诉我们，它们不同程度地依赖于局域磁矩与传导电子之间的近藤耦合强度，同时它们之间又存在相互竞争。在实际的材料中，这种竞争产生了丰富多彩的相图以及奇异的物理性质。本文在铁基超导体研究背景下，重在研究含Ce的磷族化合物中磁性与近藤效应以及它们之间的相互关系。在这类层状的磷族化合物中，稀土元素(Ce)层和过渡金属层之间的层间杂化形成了天然的近藤耦合，而这种耦合强度又依赖于具体的晶体结构以及过渡金属的种类，这使得本文所述的内容引人注目。 本论文的研究重点主要集中于三个体系的Ce基磷族化合物:(1) CeFeAsO1-yFy中As位的P元素取代，发现了CeFeAs1-xPxO1-yFy中的磁性和近藤效应竞争引起的两个量子临界点(QCP)，研究了d-f电子间相互作用与超导的关系;(2)反铁磁体CeNiAsO中存在增强的电子关联效应，并同时研究了CeNiAsO的物理压力效应和CeNiAs1-xPxO中P/As掺杂引起的化学压力效应;(3) ThCr2Si2型CeNi2As2单晶样品的磁性与晶体场效应。所取得的主要创新成果如下: (1)对于CeFeAsO体系的As位P掺杂效应，我们首先得到了CeFeAs1-xPxO(0≤x≤1)完整的电子态相图，并观察到As位的P掺杂，一方面抑制了Fe2+的磁性相变得到第一个QCPxc1(～)0.4，另一方面，这种化学压力又驱动Ce3+磁矩发生AFM-FM序的转变（xc3(～)0.37），而在更高的P掺杂浓度下，我们又得到了第二个FM序消失的QCP xc2(～)0.92，并在xc2附近观察到了重费米子行为以及奇异的非费米液体行为。然而，与其他铁基化合物的P/As掺杂效应不同的是，这里整个P/As掺杂区间内温度2K以上没有观察到超导现象。我们继而研究了CeFeAs1-xPxO0.95F0.05体系中的P/As掺杂效应。在这里，CeFeAsO0.95F0.05本身是一个处在超导边界的反铁磁体，Fe2+的磁性已被很大程度上抑制，并存在Ce-AFM引起的超导再入现象。在这个体系中P/As掺杂的xc1(≤)0.4，而xc3则移动到了0.45附近。xc1和xc3的分离使得在相图上形成了很宽的超导区间，0≤x≤0.53，这个超导区间涵盖了Ce3+的AFM-FM的转变（即xc3）。我们发现，在Ce-AFM区，Ce的磁性和超导洽然共存，而在Ce-FM区，Ce的磁性则与超导存在强烈的竞争。Ce-FM区一直延续到CeFePO0.95F0.05(x=1)，这使得第二个QCP xc2被“移出”了相图的边界。我们通过F掺杂对于CeFeAsO和CeFePO的不同效应分析了这些实验结果。 (2)对于CeNiAsO体系，我们首先系统地研究了它的物理性质，发现Ce3+在低温下连续发生两次AFM相变，对应的温度分别为TN1=9.3 K，TN2=7.3 K，同时Ce-4f电子与Ni-3d电子之间存在较强的杂化作用，这产生了较高的电子比热系数γ0=203 mJ/(mol·K2)以及Kondo温度TK～15K。接着，我们又同时研究了物理压力效应和P/As掺杂引入的化学压力效应。我们发现这两种压力效应都能调控CeNiAsO的物理性质。在压力下，AFM序被抑制并连续地消失于量子临界点，pc=6.5 kbar，xc=0.4。进一步地研究显示，在这个QCP附近还伴随着Ce-4f电子的局域化-退局域化的变化，这表明这种量子临界点可能是Kondodestruction型的。这个假设得到了基于LDA+DMFT的第一性原理计算的支持。 (3)对于CeNi2As2，我们首先成功地用NaAs助熔剂法得到了毫米尺寸大小的ThCr2Si2型CeNi2As2单晶样品，并研究了它的物理性质。我们发现，和CaBe2Ge2型的CeNi2As2不同，ThCr2Si2型的CeNi2As2是一个具有高度磁各向异性的单轴反铁磁体，Ce3+磁矩在TN=4.8K以下形成反铁磁长程序，并确认c轴为易磁化轴。同时，我们又在TN以下观测到了由外磁场B‖ c引起的自旋翻落的亚铁磁转变。其次，显著的晶体场(CEF)效应在所有物理性质测量中都被观察到，我们基于CEF理论进行了详尽的计算，并给出了CeNi2As2中Ce3+（j=5/2）在CEF中的能级劈裂情况:△1=325 K和△2=520K。第三，我们得到了一个巨大的磁阻挫系数f=|θW|/TN，同时，面内电阻率的各向异性和低温XRD衍射实验都表明可能存在一个由Ce-4f电子的磁阻挫导致的微小的结构相变。而在这个体系里，近藤效应是比较微弱的。 通过对CeFeAs(P)O、CeNiAs(P)O和CeNi2As2三个体系的Ce基磷族化合物的磁性和近藤效应的对比，我们得出了一些基本规律。 本文最后，还简单地介绍了博士期间的其他方面的研究，主要包括:(1)低温XRD实验探测LnFeAsO(Ln=La，Sm，Gd，Tb)中磁性驱动的结构相变;(2)拓扑绝缘体Bi2Te2Se的静液压力效应;(3)相对论性莫特绝缘体Li2RhO3中的自旋玻璃态。

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摘要

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缩写、符号清单、术语表

1 绪论

1．1 费米液体理论

1．2 磁性交换作用

1．3 近藤效应与量子临界点现象

1．4 晶体场效应

1．5 铁基化合物简介

1．6 本论文的组织结构和创新点

2 样品的制备及测量方法

2．1 样品的制备方法

2．2 样品的物性测量

2．3 静液高压下的输运性质测量

3 CeFeAs1-xPxO1-yFy中的d-f电子相互作用

3．1 实验方法简介

3．2 CeFeAs1-xPxO的两个量子临界点

3．3 CeFeAs1-xPxO0．95F0．05中超导和Ce-4f磁性相互作用

3．4 本章小结

4 CeNiAsO中压力驱动的量子临界点

4．1 实验方法简介

4．2 CeNiAsO：一个反铁磁密度的Kondo Lattice系统

4．3 CeNiAsO中压力驱动的量子临界点

4．4 本章小结

5 CeNi2As2的磁性和晶体场效应的研究

5．1 实验方法简介

5．2 CeNi2As2的磁性和晶体场效应

5．3 本章小结

6 总结

7 博士期间其他方面的研究

7．1 LnFeAsO磁性驱动的结构相变

7．2 拓扑绝缘体Bi2Te2Se中的静液压力效应

7．3 Li2RhO3：自旋玻璃态的相对论性Mott绝缘体

附录A Ce1111和Eu122系列的对比总结

附录B 比热肖特基异常公式的推导

附录C CeNi2As2中的晶体场效应的计算

附录D 空穴带电导率公式的推导

参考文献

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