磁阻挫多铁性材料CuFe1-xGaxO2和ErMnO3的单晶生长与低温物性

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多铁性材料由于在磁电子学、自旋电子学、磁记录技术等方面的潜在应用价值而成为凝聚态物理学研究的热点。广义的多铁性通常指在固体物质中磁序和电序之间出现的一种耦合效应。磁阻挫材料通常具有复杂的磁结构相变,其中一些特殊磁序的出现可能会使空间反演对称性破缺,从而使电序发生改变。三角晶格CuFeO2和六角的ErMnO3被证实是两个典型的具有阻挫磁性的单相多铁性材料,深入研究其复杂的磁性质对于我们理解其多铁性产生的机制是十分重要的。  本论文的主要工作是生长出高质量的CuFe1-xGaxO2(x=0,0.035,0.08,0.12)和ErMnO3单晶,并通过磁化率、比热以及热导率性质的表征,对材料的磁性质做深入的研究。本论文共有三个章节,每一章节的主要内容如下:  在第一章,我们首先介绍了以自旋-轨道和自旋-晶格耦合为基础的多铁性产生机制,然后又分别详细介绍了有关CuFeO2、 CuFe1-xGaxO2以及ErMnO3的磁性和多铁性的研究进展。  第二章主要介绍了光学浮区法生长CuFe1-xGaxO2(x=0,0.035,0.08,0.12)单晶的过程与低温物性的研究。通过在生长初期不断降低加热功率,可以有效抑制Fe2O3的还原并最终获得高质量的CuFe1-xGaxO2单晶样品。通过磁化率表征我们发现CuFe1-xGaxO2的磁各向异性随掺杂量的增加而明显的减弱。比热测量结果表明掺杂样品的低温比热要远大于x=0的样品,说明掺杂样品的基态具有更强烈的磁激发。作为对比,掺杂样品的低温热导率相比x=0的样品受到了明显的抑制,这应该是由于掺杂样品中磁激发对声子有更为强烈的散射效应。而且,x=0和0.035的样品的κ(T)在磁转变温度附近都出现了明显的异常,这是相变处强烈的自旋涨落对声子的散射造成的。加c方向磁场,x=0的样品的κ(H)等温线在磁转变场处出现了台阶式的跳变,x=0.035和0.08的样品的κ(H)等温线在磁转变场处也出现了极小值行为。除此之外,x=0,0.035和0.08的样品的κ(H)等温线在升降场过程中还出现不可逆行为,不可逆性产生的原因在这里也进行了讨论。对于CuFe1-xGaxO2体系,由于强烈的自旋-声子耦合,热导率的行为可以很好的反映磁性质的变化。  在第三章,我们通过磁化强度、比热以及热输运的测量手段对ErMnO3单晶的磁性和磁转变行为进行了研究。磁化强度M(H)显示,ErMnO3在0.8,12以及28 T处共出现了三次磁转变。零场比热C(T)在2.2 K处出现了尖峰,对应Er3+的磁转变。低温热导率的结果表明:磁场平行于ab面时,κ(H)等温线在1-1.25 T处出现了尖锐的低谷;磁场沿c方向,κ(H)在0.5-0.8 T处出现了台阶式的增长。κ(H)曲线上的转变场和磁化曲线上的转变场有很好的对应,热导率异常可以用自旋-声子散射的图像得以解释。结合以上实验结果,我们讨论了ErMnO3在低温下的磁结构和磁转变行为。
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