發(fā)布時間：2018-08-24 10:07

【摘要】：Mn基反鈣鈦礦氮化物因具有多重磁性轉(zhuǎn)變、近零電阻溫度系數(shù)、負熱膨脹等奇特的物理性能一直受到材料科學家與凝聚態(tài)物理學家的關注,其中許多是強關聯(lián)材料體系,即材料的磁性、電輸運性以及晶體結構之間存在非常緊密的內(nèi)在聯(lián)系,某個物理性能發(fā)生變化會使另外兩個物理性能也隨之發(fā)生變化。因此研究Mn基反鈣鈦礦氮化物的物理性能,尤其是研究其磁性的變化與起源對于理解此類材料許多奇特物理性能的機理是非常重要的。本論文選取Mn基反鈣鈦礦氮化物中的Mn3Cu N與Mn3Ga N作為研究對象,利用固相反應法首次制備了稀土Gd摻雜、非化學計量比以及金屬Ga摻雜的Mn基反鈣鈦礦氮化物,不僅顯著地改變了材料的磁性與電輸運性等物理性能,還系統(tǒng)研究了它們的變化規(guī)律及其物理機理。在Mn3Cu N中摻雜鑭系稀土金屬元素Gd使材料出現(xiàn)兩次磁相變,在外加磁場下出現(xiàn)相分離。Mn3Cu1-x Gdx N在降溫過程中首先經(jīng)歷高溫的順磁-鐵磁相變,這是由Gd原子間的鐵磁交換引起的。繼續(xù)降溫Mn3Cu1-x GdxN發(fā)生鐵磁-反鐵磁相變,這個過程顯示出材料的本征磁相變,晶胞中上下底面的Mn原子磁矩按照鐵磁有序排列,與頂角位置的Gd原子磁矩按照反鐵磁有序排列。隨著Gd摻雜量增加高溫磁相變向高溫移動而低溫磁相變向低溫移動,中間的鐵磁性溫區(qū)逐漸展寬,由46K展寬至140K。等溫磁化曲線在快速掃描磁場下出現(xiàn)磁臺階即分布磁化現(xiàn)象,這是由快速掃描磁場誘導的相分離引起的,磁性弛豫與等溫磁阻表明Mn3Cu1-x Gdx N在低溫下處于磁性亞穩(wěn)態(tài)。變溫X射線衍射表明Mn3Cu1-x GdxN的晶體結構相變與低溫磁相變一致,隨摻雜量增加逐漸向低溫移動,這說明Gd原子的引入抑制了材料的本征相變。摻雜Gd原子使原來存在于高溫段的近零電阻溫度系數(shù)逐漸消失,而在低溫區(qū)顯示出明顯的近零電阻溫度系數(shù)。在Mn3Ga N中制造非化學計量比使材料轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷罔F磁性。在Ga位與N位按照1:1比例制造化學成分缺失后,Mn3Gax Nx由無成分缺失時的反鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)榉腔瘜W計量比的高溫鐵磁性,隨著化學成分缺失的增多Mn3Gax Nx的居里溫度逐漸升高。當x=0.7時居里溫度為395K,x=0.6時居里溫度略微降低至390K,x=0.5時居里溫度升高至424K。變溫中子衍射及其晶體結構精修表明Mn3Gax Nx具有與M-1類似的磁結構,磁單胞中上下底面的Mn原子磁矩按照鐵磁有序排列,它與頂角位置的Mn原子磁矩按照亞鐵磁有序排列。第一性原理計算表明Mn3Gax Nx的交換積分J0,說明材料具有鐵磁性,磁性來源于Mn原子的d軌道電子。根據(jù)計算結果,三個非化學計量比的交換積分J的大小關系為J0.5J0.7J0.6,與磁性測試結果一致。電輸運性測試結果顯示非化學計量比的Mn3Gax Nx在300K以下為金屬導電性,但是在低溫下存在一個電阻極小值,通過電阻參數(shù)擬合可知近藤散射機制與電子-電子散射機制是引起這個極小值的主要原因。在Mn3Cu N中摻雜過渡金屬元素Ga使材料在低溫下處于自旋玻璃態(tài)。隨溫度降低Mn3Cu1-x Gax N在凍結溫度發(fā)生自旋凍結現(xiàn)象,當x=0.3時材料的凍結溫度為113 K,隨Ga摻雜量增加凍結溫度逐漸向低溫移動,當x達到0.9時凍結溫度降低至86 K,此外Ga摻雜量的增加還使Mn3Cu1-x Gax N的磁矩值明顯降低。對于x=0.3的樣品,增加磁場強度能夠使凍結溫度向低溫移動,說明外加磁場對Mn3Cu1-x Gax N的自旋玻璃態(tài)具有破壞作用。分析認為Mn3Cu1-x Gax N在低溫下的自旋玻璃行為是由Ga原子在Cu位的隨機占位引起的原子無序排列以及晶格中鐵磁交換與反鐵磁交換引起的磁受挫之間相互競爭引起的。在Mn基反鈣鈦礦氮化物的A位摻雜具有不同電子結構的原子或制造非化學計量比能夠有效地改變材料的本征物性�；�于我們的實驗結果,從晶格結構與自旋磁性的角度分析了Mn基反鈣鈦礦氮化物的物性變化規(guī)律,從理論上解釋了摻雜或非化學計量比對材料物性改變的物理機理。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TB303

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本文編號：2200485