稀土锰基化合物RMnSn及其衍生物的结构、磁性及磁电阻效应

摘要

本论文通过X射线衍射、中子衍射、磁性和输运性质测量等方法系统的研究了RMn6Sn6及其衍生化合物的晶体结构、内禀磁性、磁结构及磁输运性质。 首先，本文研究了化合物RMn6Sn6-xGax(R=Er,Gd；x=0-2.0)的结构和磁性。结果表明，Ga对Sn的替代并不改变ErMn6Sn6化合物六方的HfFe6Ge6型结构；而对于GdMn6Sn-6-xGax体系，晶体结构随着Ga含量的增加发生如下转变：x=0-0.6为六方的HfFe6Ge6型结构；当x=0.9和1.2时，结构转变为正交的HoFe6Sn6型；当Ga含量增至1.5时，结构转变为正交的TbFe6Sn6型；晶胞随着Ga替代量的增加呈各向同性收缩。 HfFe6Ge6结构的化合物ErMn6Sn6-xGax具有强的低温硬磁行为(如化合物x=2.0的矫顽力Hc≥22kOe)。这是由于Ga对Sn的取代改变了Er的配位环境，使得Er次晶格的二级晶场系数A20符号发生改变，得到负的二级晶场参数B20，从而诱导出磁晶单轴各向异性。此外，六级Stevens因子γJ和Er次晶格的四级晶场系数A40对这种化合物的易磁化方向也起了很重要的作用。 Mn原子磁矩在六方结构和正交结构中都表现出易面的磁行为。Mn次晶格的磁晶各向异性随着温度的升高、晶体结构对称性和Mn原子配位环境的改变而削弱。低温下，Mn次晶格的磁晶各向异常数在-10K量级，相对于稀土次晶格的磁晶各向异性可以忽略不计。 对RMn6Sn6(R=Y,Gd,Tb)和ErMn6Sn6-xGax等化合物进行吸H、吸N、掺C、掺B处理，结果表明此类化合物在常规条件下并不能形成间隙化合物。 其次，本文研究了HfFe6Ge6型的化合物(Y,Ho)Mn6Sn6和ErMn6Sn6的磁结构、变磁转变和磁电阻效应。结果表明，化合物随着成分、温度的变化而表现出丰富的磁行为。YMn6Sn6随着Ho的加入，发生了螺旋反铁磁-螺旋亚铁磁-(锥形)亚铁磁的转变；随着温度的升高，例如化合物Y0.5Ho0.5Mn6Sn6表现出螺旋亚铁磁-螺旋反铁磁-亚铁磁-顺磁的复杂磁行为，变温中子衍射研究表明这些磁相变是非公度-非公度磁结构的转变；化合物ErMn6Sn6随温度的升高也表现出亚铁磁-螺旋反铁磁-顺磁丰富的磁行为。螺旋磁结构的存在与Mn-Mn最近邻(n1)和次近邻(n2)的层间交换作用相关，它们之间存在如此关系：n1=-4n2cosφ，其中φ为相邻层Mn-Mn间的自旋夹角。螺旋磁结构中会产生一个有效的螺旋各向异性能Kφ,d∝-(1-cosφ)2，使磁矩倾向于面内排列。Kφ,d表现出与一般各向异性系数不同的温度特性，它的作用随着温度的升高而增强。 在反铁磁态，两个体系的化合物都能在外磁场的作用下被诱导出反铁磁态-亚铁磁的变磁转变。化合物Y1-xHoxMn6Sn6随着Ho含量的增加，用较小的磁场(如化合物x=0.5，H＜6kOe)便可诱发变磁转变，变磁转变不存在温度、磁场的滞后效应，为二级相变。变磁磁转变都伴随出现巨磁阻效应，例如化合物Y0.5Ho0.5Mn6Sn6在100K时MR=-16％，而ErMn6Sn6在135K时MR=-9.8％。此外，化合物ErMn6Sn6在亚铁磁态时表现出小的正磁电阻效应。 最后，通过在稀土位上替代部分的轻稀土元素(如La和Ce)，得到新型HfFe6Ge6结构的化合物Y1-xLaxMn6Sn6(x≤0.2)、Y1-xCexMn6Sn6(x≤0.3)和Tb1-xCexMn6Sn6(x≤0.3)。少量的La和Ce的替代并未改变YMn6Sn6的螺旋反铁磁结构，在外磁场作用下发生变磁转变，伴随着巨磁电阻效应的出现。例如，化合物Y1-xCexMn6Sn6(x=0.175)在5K和50kOe场下MR值达到-37％。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1稀土永磁材料的发展历史及研究现状

1.2磁电阻效应的研究现状

1.3稀土锰基化合物的研究现状

1.3.1RMn2X2化合物

1.3.2RMn6X6化合物

1.3.3其余的稀土锰基化合物

1.4选题思路

参考文献

第2章磁性化合物的基本概念与理论

2.1稀土与过渡族金属的磁性

2.1.1稀土元素的磁性

2.1.2 3d过渡族金属元素的磁性

2.2自发磁化的基本理论模型

2.2.1分子场理论

2.2.2 Heisenberg交换作用模型

2.2.3 Stoner能带模型

2.3 R-T金属间化合物中的交换作用和晶场作用

2.3.1交换作用

2.3.2晶场作用与磁晶各向异性

2.4亚铁磁性的3d次晶格和三次晶格模型

2.4.1双次晶格模型

2.4.2三次晶格模型

2.4.3三次晶格体系可能的磁矩位形

参考文献

第3章实验方法

3.1样品制备

3.1.1锰基单相化合物的制备

3.1.2取向样品的制备

3.1.3间隙化合物的制备

3.2晶体结构和磁结构的分析

3.2.1 X射线衍射

3.2.2中子衍射

3.2.3 Rietve1d方法

3.3磁性测量和磁电阻的测定

3.3.1磁性测量设备

3.3.2磁性参数的确定

参考文献

第4章RMn6Sn6化合物及其衍生物的结构与内禀磁性

4.1引言

4.2 HfFe6Ge6型ErMn6(Sn,Ga)6化合物的结构与磁性

4.2.1晶体结构

4.2.2内禀磁性

4.3 GdMn6(Sn,Ga)6化合物的结构与磁性

4.3.1晶体结构

4.3.2内禀磁性

4.4 RMn6Sn6间隙化合物的探索性研究

4.4.1实验结果与讨论

4.5小结

参考文献

第5章RMn6Sn6化合物及其衍生物的变磁转变和磁电阻效应

5.1引言

5.2(Y,Ho)Ma6Sn6化合物的磁性和输运特性

5.2.1晶体结构

5.2.2内禀磁性和变磁转变

5.2.3磁电阻效应

5.3 ErMn6Sn6化合物的磁性和输运特性

5.3.1晶体结构

5.3.2内禀磁性和变磁转变

5.3.3磁电阻效应

5.4小结

参考文献

第6章含轻稀土元素的HfFe6Ge6结构化合物的磁性和输运特性

6.1反铁磁化合物(Y,La)Ma6Sn6的磁性和磁电阻效应

6.1.1晶体结构

6.1.2磁性

6.1.3磁电阻效应

6.2化合物(Y,Ce)Mn6Sn6的磁性和磁电阻效应

6.2.1晶体结构

6.2.2磁性

6.2.3磁电阻效应

6.3化合物(Tb,Ce)Mn6Sn6的结构和磁性

6.3.1晶体结构

6.3.2内禀磁性

6.4小结

参考文献

第7章总结和展望

攻读博士学位期间发表论文及参与项目目录

致谢