受限体系下钌氧化合物Sr4Ru3O10的物性研究

摘要

强关联电子体系中，含有高轨道4d电子态的钙钛矿钌氧化合物(Ca，Sr)n+1RunO3n+1中存在多种自由度，包括电荷、自旋、晶格和轨道间的复杂相互作用，蕴含着丰富的物理现象，如自旋三重态配对（p波）的超导电性（Sr2RuO4）、Mott绝缘体态(Ca2RuO4)、磁场诱导的量子临界和自旋密度波(Sr3Ru2O7)、奇异的巨磁阻效应(Ca3Ru2O7)等等。而原胞中包含3层RuO6八面体单元的Sr4Ru3O10表现出很复杂的磁行为，是该体系中被研究过的最复杂的材料中的一种。随着温度的降低，该材料在居里温度TC=105K处发生铁磁转变，随后在温度TM～50 K发生另一个磁转变，并在输运上伴随着电阻异常。在TM以下，该材料的磁化强度沿着c方向表现出典型的铁磁行为，而沿着ab方向却类似于顺磁或者反铁磁行为。Sr4Ru3O10材料合成至今已经被研究了近20年，但是对该材料中的复杂磁特性仍然缺乏清晰的认识。本论文采用机械剥离单晶的办法首次将Sr4Ru3O10单晶的厚度推进到纳米尺度，并系统的研究了该材料在纳米尺度下的输运特性，澄清了引起Sr4Ru3O10中复杂磁行为的机理，得到了如下创新性成果:
　　1)发现Sr4Ru3O10的磁相变具有厚度依赖特性
　　通过对不同厚度样品的输运测量发现，Sr4Ru3O10发生铁磁转变的居里温度与厚度没有依赖关系，但是其发生第二次磁转变的温度TM却严重的受到样品厚度的调制，TM由50 K(块材单晶)降至25 K(30nm)左右。进一步的测量表明，其正常霍尔效应以及反常霍尔效应的标度关系与厚度的变化无关，但是其沿c方向磁化的饱和场却随着厚度的减小而增大，表明，样品越薄其磁矩越容易沿ab方向排列。该结果表明，铁磁转变是该材料的本征特性，由磁交换作用决定，而第二个磁转变极有可能与材料中Ru磁矩的重排布有关系。
　　2)发现纳米尺度Sr4Ru3O10面内具有铁磁序
　　通过平面霍尔效应对纳米尺度Sr4Ru3O10的面内磁阻行为进行了系统的研究。我们发现，在铁磁转变温度TC以下，样品的横向磁阻上总会出现类似于“自旋阀”效应的电阻跳变行为，表明，纳米尺度下，该材料的ab面内含有具有各向异性特征的铁磁序。进一步的面内转角测量结果表明，[(1)10]轴为该面内铁磁序的易磁化轴，而[110]轴为亚稳轴。这个结果与块材的磁结构相悖，因为以往在块材的ab面内既没有发现铁磁序也没有发现反铁磁序，如此证明厚度的降低有利于Ru磁矩在面内呈铁磁排列。对变温平面霍尔效应的分析发现，该面内铁磁序在另一磁转变温度TM以上呈单畴态，在TM以下反而呈多畴态。
　　3)找到Sr4Ru3O10中自旋随温度发生自发重取向的证据
　　通过对纳米尺度Sr4Ru3O10各向异性磁阻的变温测量发现，随着温度的降低，当磁场沿着ab面时，低场磁阻在另一磁转变温度TM以上表现出负磁阻行为，在TM以下表现出正磁阻行为。但是，当磁场沿着c方向时，其低场磁阻却在TM以上表现出正磁阻行为而在TM以下表现出负磁阻行为。该结果表明，Sr4Ru3O10中的自旋随着温度的降低发生了自发重取向，在TM处从主要沿ab面排列转向为主要沿c轴方向排列。这种自旋重取向行为是引起Sr4Ru3O10发生第二个磁转变的原因。对磁阻的进一步分析还发现，该材料中的自旋轨道耦合在决定其磁特性上扮演了非常重要的角色。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．2 Sr2RuO4(n=1)

1．3 Sr3Ru2O7(n=2)

1．4 SrRuO3(n=∞)

1．5 Sr4Ru3O10(n=3)

1．5．2 Sr4Ru3O10的磁性质

1．5．3 Sr4Ru3O10中的自旋晶格耦合

1．5．4 Sr4Ru3O10的比热特性

1．5．5 Sr4Ru3O10的输运特性

1．6 论文研究的意义及内容

第2章 实验原理与方法

2．1 电子束曝光

2．2 电子束蒸发及热蒸发

2．3 原子力显微镜

2．4 低温物性测量系统

2．5 霍尔效应

2．5．1 正常霍尔效应

2．5．2 反常霍尔效应

2．5．3 平面霍尔效应

2．6 磁电阻效应

2．6．1 正常磁电阻

2．6．2 各向异性磁电阻

第3章 纳米尺度Sr4Ru3O10器件的制备

3．1 引言

3．2 Sr4Ru3O10单晶的性质表征

3．3 Sr4Ru3O10薄层样品的获取

3．4 Sr4Ru3O10纳米器件的制备

3．5 Sr4Ru3O10器件的输运测试

3．6 小结

第4章 Sr4Ru3O10的磁转变具有厚度依赖特性

4．1 引言

4．2 Sr4Ru3O10的RT特性及磁阻

4．3 Sr4Ru3O10的霍尔效应

4．3 小结

第5章 几何受限Sr4Ru3O10的面内磁结构

5．1 引言

5．2 Sr4Ru3O10的平面霍尔效应

5．3 Sr4Ru3O10面内铁磁序的温度依赖性

5．4 跳变电阻的温度依赖性

5．5 小结

第6章 Sr4Ru3O10的各向异性磁阻

6．1 引言

6．2 Sr4Ru3O10的各向异性磁阻行为

6．3 Sr4Ru3O10的磁各向异性随温度的演化

6．4 小结

第7章 总结与展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果