自旋阻挫钴基氧化物Ca3Co2O6磁性及相关性质研究

摘要

自旋阻挫材料内部一般存在各种相互作用的竞争关系，导致其基态高度简并，一个微小的扰动，比如热扰动、磁场或化学组分变化等，都会使材料的性质发生很大的变化。准一维链状材料Ca3Co2O6及双钙钛矿结构材料A2CoMnO6(A=稀土元素)是两类典型的自旋阻挫材料，表现出自旋密度波、自旋玻璃、磁化台阶等丰富的物理现象。本论文选取Ca3Co2O6及A2CoMnO6等自旋阻挫材料为研究对象，系统地研究了其结构、磁性、电输运和热输运等性质，通过对其磁性演变规律、电输运和磁性间关联的探索研究，加深了对自旋阻挫材料性质的理解，以期为新型阻挫材料的设计提供实验参考。本论文的主要内容如下:
　　(1).通过Ca位稀土元素掺杂实现了对Ca3Co2O6中磁交换相互作用的有效调控。研究发现随着Sm掺杂量的增加，Ca3Co2O6中Co-O链内的磁交换关联常数J逐渐减小，当掺杂量达到x=0.5时，材料的磁交换作用由铁磁交换作用为主转变为反铁磁交换作用为主，并在低温区出现一个新的反铁磁转变。Ca位Dy掺杂也可以使材料中的铁磁交换作用减弱，但低温区没有Sm掺杂样品中类似的磁转变现象出现，当Dy掺量达到x=0.4时，材料中的长程磁转变被抑制。
　　(2).Ca3Co2O6中的磁化台阶现象研究:我们采用助溶剂法生长了Ca3Co2O6单晶样品，系统地研究了材料中的磁化台阶现象，发现该材料中的磁化台阶具有很强的磁历史效应，磁化台阶的性质与材料冷却过程中所加磁场的性质密切相关。我们还发现适当的Co位Cu元素掺杂可有效抑制材料中的磁化台阶。此外，Ca3Co2O6中适当Cu2+离子的引入，还可以提高材料的载流子浓度，降低材料的电阻率。并且Cu2+掺杂还可使一部分Co3+离子转变为Co4+，提高自旋熵，使得材料的热电势有所增加，进而优化了其热电性能。掺杂量为x=0.6样品的室温热电优值是未掺杂样品的近60倍。
　　(3).Ca3Co2O6中载流子类型的调控研究:我们分别通过Pb对Ca和F对O的部分替代，成功实现了Ca3Co2O6中载流子类型的调控，发现适当的Pb或F元素掺杂可使材料的导电类型逐渐由p型转变为n型。此外，我们还通过XPS表征分析，确定了无论是Pb掺杂还是F掺杂都可使材料中的部分Co3+离子转变为Co2+，从而导致Co-O链内的铁磁相互作用减弱。Pb掺杂可使材料的颗粒尺寸明显变大，有效提高样品的致密度，降低材料的电阻率。而F掺杂对样品的热电势影响较大，适当的F掺杂可使材料的热电势从752.7μV·K-1(x=0.2)变化到-333.1μV·K-1(x=0.4)。
　　(4).我们通过固相反应法合成了Y2Co1-xMn1+xO6和La2CoIrO6样品，系统研究了其结构、磁性、电输运及介电性质。结果表明，Y2Co1-xMn1+xO6的磁相互作用和磁化台阶性质与材料的化学组分密切相关，随着Mn含量的增加，样品的铁磁相互作用逐渐减弱，并且磁化台阶现象逐渐被抑制。和Y2Co1-xMn1+xO6相比，La2CoIrO6表现出更加丰富的磁性质，随温度的降低，La2CoIrO6除了在90K附近有一个顺磁-铁磁磁相变外，在更低温区还存在另一个明显的再入自旋玻璃磁行为。此外，我们还发现La2CoIrO6在低温区存在介电弛豫和磁介电耦合现象。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 物质的磁性

1．2．1 磁性的起源与分类

1．2．2 交换相互作用

1．3 自旋阻挫概述

1．4 自旋阻挫化合物Ca3Co2O6研究进展

1．4．1 晶体结构

1．4．2 电子结构

1．4．3 磁性质

1．4．4 热电性质

1．4．5 Ca3Co2O6中的掺杂效应

1．5 双钙钛矿A2CoMnO6(A为碱土或稀土元素)的基本物性

1．5．1 晶体结构

1．5．2 磁化台阶

1．6 论文的研究动机与内容

参考文献

第二章 钙位稀土元素掺杂对Ca3Co2O6磁性调控研究

2．1 Ca位Sm元素掺杂效应研究

2．1．1 样品制备及测试方法

2．1．2 结构分析

2．1．3 磁性质

2．1．4 比热性质

2．1．5 输运性质

2．2 Ca位Dy元素掺杂效应研究

2．2．1 样品制备及测试方法

2．1．2 结构分析

2．1．3 磁性质

2．3 本章小结

参考文献

第三章 Ca3Co2O6中的磁化台阶现象研究

3．1 晶体生长及测试方法

3．2 结果与讨论

3．2．1 晶体结构

3．2．2 磁性质

3．2．3 电输运性质

3．2．4 热电性能

3．3 本章小结

参考文献

第四章 Ca3Co2O6的载流子类型调控研究

4．1．1 样品制备及测试方法

4．1．2 晶体结构和价态分析

4．1．3 样品形貌

4．1．4 电输运性质

4．1．5 热输运性质

4．1．6 磁性质

4．2 F掺杂对Ca3Co2O6载流子类型调控研究

4．2．1 样品制备及测试方法

4．2．2 晶体结构和价态分析

4．2．3 磁性质

4．2．4 电输运性质

4．2．5 热电势

4．3 本章小结

参考文献

第五章 A2CoMO6(A=Y／La；M=Mn／Ir)的磁性质研究

5．1．1 样品制备及测试方法

5．1．2 晶体结构

5．1．3 磁性质

5．1．4 比热性质

5．2 La2CoIrO6再入自旋玻璃行为及磁介电现象研究

5．2．1 样品制备及测试方法

5．2．2 晶体结构

5．2．3 再入自旋玻璃行为

5．2．4 比热性质

5．2．5 电输运性质

5．2．6 磁介电效应

5．3 本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果