釩、鈦基尖晶石中的軌道、自旋和晶格的耦合.pdf

1、由于可以通過深入地研究自旋、軌道和晶格的耦合機(jī)制的科學(xué)原理來實(shí)現(xiàn)調(diào)控材料物理性質(zhì)的目的，從而開拓可能的應(yīng)用空間和潛力，所以引起了研究人員廣泛地關(guān)注。這個(gè)耦合機(jī)制存在于RVO3(R3+)、RTiO3.RV2O4.RTi2O4等具有軌道自由度的體系中。本工作就是通過制備具有尖晶石結(jié)構(gòu)的V基和Ti基化合物來研究這些材料的物理性質(zhì)和自旋、軌道、晶格的耦合機(jī)制。
　　 1．我們研究了MUV2O4的結(jié)構(gòu)、輸運(yùn)和磁性質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)相分離引起

2、應(yīng)力并且引起了磁滯，進(jìn)而導(dǎo)致ESR強(qiáng)度的變化。我們通過平均場(chǎng)分析解釋了MnV2O4低溫下的磁性質(zhì)，并得到了MN2+與Mn2+之間的交換作用JA、V3+與V3+之間的交換作用JB、Mn2+與V2+之間的交換作用JAB。
　　 2．通過研究Mn1-xMgxV2O4(0＜X＜0.8)的結(jié)構(gòu)、輸運(yùn)和磁性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)磁轉(zhuǎn)變溫度和結(jié)構(gòu)相交溫度隨著Mg摻雜量增加而下降，同時(shí)伴隨著晶格的收縮和電子激活能下降。這兩個(gè)轉(zhuǎn)變溫度相互靠近，最后當(dāng)摻雜量X達(dá)

3、到0.2時(shí)重合。當(dāng)摻雜量大于0.2時(shí)，磁基態(tài)從長(zhǎng)程的亞鐵磁態(tài)過渡到玻璃態(tài)。玻璃態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度隨摻雜量增加而持續(xù)下降。另一方面隨著摻雜，低溫下的飽和磁矩并非單調(diào)下降，這是由于Mg摻雜引起的兩個(gè)效應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)。通過平均場(chǎng)的理論分析，這些現(xiàn)象得到了理解。我們的分析支持MnV2O4中的軌道有序是晶格-軌道相互作用引起的觀點(diǎn)。
　　 3．通過研究多晶尖晶石CoV2O4的電、磁、熱和結(jié)構(gòu)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)多晶CoV2O4在142K經(jīng)歷一個(gè)從順磁到亞鐵磁的

4、相變。當(dāng)溫度降低到59K時(shí)，經(jīng)歷另一個(gè)相變，并且伴隨著一系列異常的物理性質(zhì)的顯現(xiàn)。磁化強(qiáng)度出現(xiàn)一個(gè)上升，熱導(dǎo)在同一溫度顯現(xiàn)一個(gè)低谷，而交流磁化率的行為表明在59K以下出現(xiàn)短程特征。這些現(xiàn)象歸結(jié)于V3+磁亞晶格內(nèi)的自旋從共線態(tài)到非共線態(tài)的磁相變。令人奇怪的是，盡管比熱峰發(fā)生在142K而不是100K，熱導(dǎo)在100K出現(xiàn)一個(gè)低谷而不是在142K。我們還從理論上對(duì)于CoV2O4的軌道態(tài)對(duì)自旋態(tài)的影響加以了討論。
　　 4．我們研究了A位

5、摻雜Zn2+離子的Co1-xZnxV2O4(0≤x≤0.2)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)、磁性質(zhì)和熱性質(zhì)。磁化強(qiáng)度的上翹△M、交流磁化率的溫度依賴關(guān)系、熱導(dǎo)谷的出現(xiàn)和溫度T1處的比熱峰清楚地表明了母體轉(zhuǎn)變的存在。隨著2n2+離子摻雜的濃度上升，這些現(xiàn)象被逐漸地抑制了。這系列的變化歸因于溫度T1處的轉(zhuǎn)變逐漸被抑制，并引起V3+亞晶格內(nèi)新型自旋團(tuán)簇玻璃的逐漸融化。通過能帶的定性分析和四階微擾理論，溫度T1處轉(zhuǎn)變的抑制和新型自旋團(tuán)簇玻璃的融化可能是由于Zn2+

6、離子摻雜帶來的氧的2p電子帶能級(jí)上移。氧能帶的上升得到了紅外吸收譜紅移的證實(shí)。
　　 5．在多晶樣品MnTi2O4中，是小極化子導(dǎo)電，在溫度T1以上或以下激活能隙不同。當(dāng)溫度降低到T1處時(shí)，磁化率偏離Curie-Weiss定律。同樣是在T1處，比熱經(jīng)歷一個(gè)轉(zhuǎn)變。發(fā)生在溫度T1處的一系列現(xiàn)象歸因于微結(jié)構(gòu)的畸變。并推斷微結(jié)構(gòu)的畸變是由短程的軌道有序態(tài)導(dǎo)致的，這得到了熱導(dǎo)在T1處上翹的證實(shí)。這個(gè)結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道的MnTi2O4在180K

7、經(jīng)歷一個(gè)立方到四方的結(jié)構(gòu)相變不同。隨著溫度進(jìn)一步降低，MnTi2O4體系在溫度TN處進(jìn)入長(zhǎng)程的亞鐵磁態(tài)。另外，對(duì)于MnTi2O4,正值的熱電勢(shì)隨溫度下降而減小，并在溫度Tpn處經(jīng)歷一個(gè)p-型半導(dǎo)體到n-型半導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變。經(jīng)過理論計(jì)算與分析，這個(gè)現(xiàn)象歸因于相對(duì)論的自旋-軌道耦合和JT效應(yīng)。在A位摻雜的多晶樣品Mn1-xMgxTi2O4中，發(fā)現(xiàn)在溫度T1處的一系列現(xiàn)象仍然存在。不同的是，摻雜樣品在25K以下的ESR信號(hào)相對(duì)母體明顯變寬了，這可

8、能是與摻雜帶來的微觀有效磁場(chǎng)不均勻有關(guān)；Seebeck系數(shù)在整個(gè)測(cè)量溫區(qū)都是正值，表明是空穴極化子載流子對(duì)輸運(yùn)性質(zhì)起主導(dǎo)作用，而且Seebeck系數(shù)隨溫度下降而下降，這可能是由于摻雜帶來的微結(jié)構(gòu)畸變抑制了相對(duì)論的自旋-軌道耦合和JT效應(yīng)造成的。
　　 我們還對(duì)自旋和晶格的相互作用的影響、電子軌道有序的形成機(jī)制等進(jìn)行了理論上的探討。
　　 1．本文結(jié)合了s-p相互作用考察了在外磁場(chǎng)下它對(duì)不同材料的磁性質(zhì)、輸運(yùn)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)性質(zhì)

9、和氧同位素效應(yīng)的影響。研究結(jié)果表明：外磁場(chǎng)能夠增強(qiáng)自旋之間的鐵磁交換能，合理解釋了Tc隨外磁場(chǎng)升高而提高的現(xiàn)象，并且使布里淵區(qū)中心的自旋波產(chǎn)生一個(gè)激發(fā)能隙；預(yù)言了CdCr2O4中存在由s-p相互作用引起的氧同位素效應(yīng)，s-p和e-p共同支配了龐磁阻材料體系中的氧同位素效應(yīng)；在溫度降到Tc以下s-p會(huì)引起聲子的硬化；并引起電阻的增大。
　　 2．在本工作中，我們基于具有eg軌道自由度的磁性離子提出了直接的庫侖排斥作用可以導(dǎo)致軌道有

10、序的機(jī)制。研究表明，在180度位形中，超交換作用主導(dǎo)著軌道的占據(jù)，同時(shí)伴隨著較弱的軌道-自旋相互作用；在90度位形中，直接的庫侖排斥作用起主要作用。并且在90度位形下，一維的軌道鏈的基態(tài)為穩(wěn)定的鐵軌道序。
　　 3．利用對(duì)角化的方法，我們定量地研究了尖晶石體系RV2O4中單離子軌道有序。研究發(fā)現(xiàn)，如果相對(duì)論的自旋-軌道耦合與JT效應(yīng)遠(yuǎn)比電子跳躍能大，它們將導(dǎo)致軌道有序。然而，根據(jù)較小的輸運(yùn)能隙可以推測(cè)出RV2O4(R=Mg，Zn