层状过渡金属化合物的物性研究

发布时间：2020-05-06 17:31

【摘要】：自上世纪六十年代初以来,过渡金属硫化物(transition metal dichalcogenides,TMD)材料开始受到关注。在过去几十年中,过渡金属二硫化物由于其简单的结构及丰富的物理性质吸引了众多科研工作者的关注与兴趣,对其研究不仅在基础研究领域有重要的科学意义,并且存在潜在的应用价值。2004年,石墨烯被研究人员通过机械剥离技术获得之后,其明显不同于块材的奇异特性,引起了人们对于更广泛层状材料的关注,譬如层间以范德瓦尔斯力结合的过渡金属硫化物等受到了研究人员更多的研究。在这些材料中,二维的磁性材料可以广泛用于自旋电子学领域,并且在二维极限下的磁性机理与器件研究都吸引了众多研究者开展大量的研究工作,并且研究热情持续高涨。尤其是最近在单层FePS3中发现了反铁磁态以及单层(双层)的范德瓦尔斯材料CrI3(Cr2Ge2Te6)中发现层数相关的铁磁性,更是点燃了磁性材料尺寸效应的研究热情。在本论文中,我们对几种过渡金属化合物化物(Mn1/3TaS2,Nb3SiTe6和Ca3Ru2O7)进行了详细的电输运性质和磁性的测量,并对其进行了尺寸效应的研究。本论文共分为以下六章:1.绪论本章主要对过渡金属硫化物的结构,插层过渡金属硫化物的性质等与本文密切相关的工作进行了综述。同时,对过渡金属氧化物Ca3Ru2O7的结构、磁性、输运性质及相图进行了简要综述。2.实验技术本章中我们介绍了论文中所用到的制备和表征样品的一些实验手段。如使用X射线衍射(XRD)与能量色散X射线光谱仪(EDS)对样品进行表征,利用扫描电子显微镜(SEM)、电子束刻蚀(EBL)和聚焦离子束(FIB)等技术对纳米片样品进行表面结构表征和纳米器件制备,使用物性测量系统(PPMS)和磁性测量系统(MPMS)对样品的输运性质和磁性质进行研究。3过渡金属硫化物Mn1/3TaS2的物性研究本章中我们合成了高质量的过渡金属硫化物Mn1/3TaS2单晶,并测量了其磁性质和电输运性质。我们发现:在Mn1/3TaS2单晶中存在一个明显的磁各向异性,其易磁轴并不是某一特定的轴,而是在ab面内。在磁性测量中,我们观察到场冷却(FC)与零场冷却(ZFC)曲线分叉现象。通过对单晶的交流磁化率测量及数据拟合分析,发现Mn1/3TaS2单晶在低温处产生了团簇自旋玻璃态。另外,在磁阻测量中,当磁场加到难磁轴(c轴)时,低温磁阻特性出现奇异的正磁阻效应,这与螺旋磁MnSi纳米线中的磁阻类似。我们推测该正磁阻行为可能与外加磁场导致的磁结构相变有关。4.过渡金属硫化物Mn1/3TaS2的尺寸效应研究本章中我们利用利用机械剥离和EBL技术制备了系列不同厚度的纳米片器件样品,并对他们的电输运性质进行了测量。我们发现:纳米片的居里温度Tc与厚度密切相关,且随着厚度的降低而降低。当厚度为8 nm时,居里温度消失。通过磁阻的测量发现:与大块或厚的单晶相比,当厚度为20 nm时,其磁各向异性开始变弱,到8 nm时完全消失;这些厚度调控的输运结果表明:在这种具有铁磁性的Mn1/3TaS2二维材料中,厚度有效调控了其磁性,当厚度小于20 nm时,出现铁磁到顺磁的转变。5.过渡金属硫化物Nb3SiTe6的尺寸效应研究本章中我们通过机械剥离和EBL技术制备出了系列不同厚度的Nb3SiTe6纳米片器件样品,并对其电输运性质进行了系统的测量。通过电阻随温度的关系,我们发现电阻率随着纳米片厚度的降低而单调的升高。当纳米片厚度降到6 nm时,电阻在低温处产生了上翘。在磁阻的测量中我们发现,随着纳米片厚度的降低,纳米片中磁阻值增大。通过对霍尔数据的测量,发现Nb3SiTe6中的载流子类型为空穴,且载流子迁移率随温度降低而上升。这些结果明确的表明:样品厚度对Nb3SiTe6中的电输运性质产生了影响。6.过渡金属氧化物Ca3Ru2O7的尺寸效应研究本章中我们制备了不同厚度的纳米片样品(200 nm和120 nm),并对其输运性质进行了系统的测量。通过与之前文章中块材样品的数据对比,我们发现,在外加磁场平行于ab面时,纳米片中的变磁转变磁场比块材样品中的显著提升。这个变磁转变对应着材料中的反铁磁(AFM)态转变为外加磁场下极化的铁磁(FM)态。这个结果表明:随着纳米片厚度的降低,使得外加磁场下面内的磁矩更难被极化翻转。在磁阻的测量中,我们还发现块材和200 nm样品中变磁转变磁场以上存在的磁阻线性上翘行为,在纳米片厚度降低到120 nm时消失。而这种磁阻的线性上翘被认为是与t2g轨道的自由度相关,这也就意味着随着纳米片厚度的变薄,材料中的t2g轨道自由度产生了变化,导致了变磁转变后的磁阻不再呈现线性增加。通过零场及加场的电阻测量,我们发现,零场处纳米片样品的面内电阻曲线中在10 K处出现了一个块材样品中不存在的特征峰,而在块材样品中,这个10 K附近的特征峰在高场之中出现,而且其位置并不随磁场的增强而移动。结合我们的数据,我们推测,10 K左右的特征峰可能是与晶格或者轨道的自由度有关,而外加磁场改变了晶格或者轨道的自由度。加场RT测量中,30 K附近的特征峰随着磁场的增大而慢慢消失,结合我们的霍尔数据,我们推测这个特征峰可能与载流子类型相关。所有的结果都表明厚度的变化引起了Ca3Ru2O7性质的变化。
【图文】：

是物体在受到外加磁场后，在外加磁向的磁化强度，其磁化率ｕ大于０，但是数值很小，料之所以磁化率很小，是因为顺磁性材料中各，对外不显示宏观磁性，在外加磁场作用下，出与外磁场方向相一致的磁化强度。顺磁性材金属及铁族的盐类。许多顺磁性材料的磁化率／守居里定律，表示为：逡逑ｘ＝ｃｎ邋（１．５）逡逑里常数，Ｔ为绝对温度。然而，更多的顺磁性材居里外斯定律，表示为：逡逑ｊ＝Ｃ／（Ｔ－ＴＰ）邋（１．６）逡逑的顺磁居里温度。由上述的式中可知，，磁化率

ｊ＝Ｃ／（Ｔ－ＴＰ）邋（１．６）逡逑式中Ｔｐ为材料的顺磁居里温度。由上述的式中可知，磁化率与温度呈反比，逡逑如图２所示。逡逑１邋＾邋１逡逑＾ 邋＼邋＼邋／逡逑图１顺磁性自旋排布图逡逑Ｘｔ逡逑ｉ逡逑图２顺磁性材料的磁化率与温度的关系图逡逑２逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O482

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本文编号：2651614