正交铬氧体Ho1-xYxCrO3结构和磁学性能的研究

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稀土过渡金属氧化物及其A、B位掺杂体系,由于具有丰富的物理性能,如超导性、铁磁性、磁致热现象、巨磁阻效应等,已成为近年来研究的热点。作为ABO3型钙钛矿氧化物的派生结构,稀土铬氧体优异性质源于其低空间对称性与自旋的耦合,而铬离子与不同稀土离子的结合,会引起不同的磁结构和自旋重取向行为,使该类材料的性能更加丰富。研究稀土离子对过渡金属磁结构和性能的影响有着重要意义。本文利用Y3+离子向稀土铬氧化物HoCrO3母体中稀土位掺杂,研究稀土离子对铬离子磁结构和磁学性能的影响。由于非磁性Y3+离子与磁性Ho3+离子具有相同的半径,Y3+离子掺杂既减小晶格畸变的程度,又有效地控制Ho3+离子的含量,实现对单一变量的调控。利用X射线衍射、拉曼光谱、物性测量以及中子粉末衍射等表征手段,对掺杂体系Ho1-xYxCrO3的晶体结构、动力学、磁学性能、磁结构和磁相变等进行系统的分析,并得到如下的研究结果:一、非磁性Y3+离子的掺杂并没有明显改变HoCrO3母体的晶格参数以及与晶体结构关联的Cr3+亚晶格奈尔温度TN,主要因为Ho3+离子与Y3+离子具有几乎相同的离子半径。而随掺杂含量的增加,样品总的有效磁矩逐渐减小,这是由于非磁性Y3+离子对磁性Ho3+离子有效调控的结果。二、拉曼光谱结果表明:Y3+离子的掺杂导致低频区域内(<240 cm-1),与稀土位相关的振动模式峰位发生变化,并出现新峰。这主要由于Ho3+离子与Y3+离子具有不同的摩尔质量和核外电子数,Y3+离子掺杂打破原有的对称性,使晶体的动力学受到影响。而在高频区域内(>240 cm-1),由Cr3+离子和O2-离子贡献的拉曼峰几乎没有变化,体现了CrO6氧八面体结构的稳定性。三、在有序温度141 K下,Cr3+离子亚晶格具有倾角反铁磁结构,Y3+离子掺杂含量的不同,引起Ho3+-Cr3+交换作用强度发生变化,导致了Cr3+离子发生自旋重取向现象。(1)当x<=0.6时,Cr3+亚晶格在有序温度以下,磁结构一直采用(38)2(Fx,Cy,Gz)型,主要因为较强的Ho3+-Cr3+超交换作用占主导地位。(2)当x=0.7时,Cr3+亚晶格磁结构在较低温度范围内(10-60 K)为(38)2型;而在较高温度范围内(60-140 K)出现了(38)2型和(38)4(GxAyFz)型的混合相,混合相的出现源于减弱的Ho3+-Cr3+超交换作用与Cr3+-Cr3+超交换作用之间激烈的竞争。(3)当x=0.8时,Cr3+亚晶格磁结构由较低温度下(10-30 K)的(38)2型,经历(38)2和(38)4的混合相(30-100 K),最后在较高温度(60-140 K)完成了向(38)4型的相转变。主要源于进一步的Y3+离子掺杂,削弱了Ho3+-Cr3+对磁结构的影响,使Cr3+-Cr3+超交换作用占主导地位。根据不同组份样品的中子粉末衍射数据的拟合结果,得到Cr3+离子亚晶格磁结构随组份和温度变化的相图。通过Y3+离子对Ho3+离子的替代,排除了晶格变化对磁结构的影响,有效地调控磁性Ho3+离子的含量,深入探索Ho3+-Cr3+超交换作用对Cr3+离子磁结构和自旋重取向行为的影响。Ho1-xYxCrO3丰富的磁结构和自旋重取向行为不仅受到温度影响,还受到Ho3+-Cr3+相互作用和Cr3+-Cr3+相互作用的制约。这为进一步设计稀土过渡金属氧化物磁性材料提供了实验的支撑,对探索新型多功能磁性材料具有重要意义。
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