新型Kagome晶格和自旋团簇反铁磁体的合成和磁性研究

发布时间：2020-07-04 12:07

【摘要】：近年来,低维量子磁体由于其表现出自旋液体态、量子磁化平台、价键凝聚和玻色-爱因斯坦凝聚等新奇磁现象受到了凝聚态物理学家的广泛关注。然而,目前已报道的模型材料数量有限,严重地制约了量子磁性的研究。因此,探索合成新的量子磁性材料具有十分重要的意义。本论文利用水热法,成功合成了一系列新型量子磁体,包括Kagome晶格化合物Cu_4(OH)_6FCl、自旋五聚体化合物Na_3Cu_5(PO_4)_4F?4H_2O以及自旋六聚体化合物Sr_2M_3(C_2O_4)_3(OH)_4·3H_2O(M=Co,Ni)。通过磁化率、比热、脉冲强磁场磁化和电子自旋共振测量,系统地研究了这些化合物的磁性。同时,通过理论分析,阐明了这些化合物中的磁交换作用以及特殊磁性的起源。此外,还研究了Haldane自旋链化合物SrNi_(2-x)Mg_xV_2O_8(x=0,0.1)纳米晶的小尺寸效应。本论文的主要研究内容如下:1、通过水热法成功合成了新的Kagome晶格反铁磁体Cu_4(OH)_6FCl。单晶结构解析表明,该化合物中Cu~(2+)离子具有两种不等价的晶体学占位:其中一个Cu~(2+)离子构成了几何完美的Kagome晶格,另一个Cu~(2+)离子则位于Kagome层与层之间。磁性测量结果表明,Cu_4(OH)_6FCl在T_1=15 K和T_2=4.8 K存在两个反铁磁转变,并伴随弱的铁磁成分。通过拟合高温磁化率曲线,可以获得Cu_4(OH)_6FCl的外斯温度θ_(CW)=-135 K和最近邻反铁磁交换J=-166 K。强磁场ESR测量结果与磁化结果密切相关,在不同温度区间分别观察到了一个无能隙的共振模式和两个具有能隙的共振模式。2、通过水热法成功合成了一种新的自旋五聚体化合物Na_3Cu_5(PO_4)_4F?4H_2O。单晶结构解析表明,该化合物基本磁性单元为{Cu_5(PO_4)_4F}(Cu_5)团簇。这些磁性单元由磷酸根基团相连,在ab面内延伸成二维网格。磁化率和比热数据表明,该化合物在T_2=19.2 K出现短程磁有序,并在T_1=11.5 K进入长程磁有序态。强磁场磁化曲线则揭示了该化合物在H40 T时存在量子化的2/5磁化平台。ESR数据揭示了体系存在磁各向异性,与二维结构一致。因此,Na_3Cu_5(PO_4)_4F?4H_2O可以被认为是一个新的经典磁性与量子磁性共存的化合物,同时也为研究五个自旋的团簇材料提供了实验模型。3、通过水热法成功合成了两种同构的新型自旋六聚体化合物Sr_2M_3(C_2O_4)_3(OH)_4·3H_2O(M=Co,Ni)。单晶结构解析表明两化合物以正六边形的Co_6O_(24)/Ni_6O_(24)(Co_6/Ni_6)团簇为基本磁性单元。这些团簇之间通过草酸根相连形成二维网格。磁化率测量结果表明,化合物Sr_2Co_3(C_2O_4)_3(OH)_4·3H_2O在T=9.97 K出现反铁磁长程有序。强磁场磁化曲线显示该化合物存在两个磁转变,临界磁场分别为H_1=13.7 T和H_2=38.1 T。化合物Sr_2Ni_3(C_2O_4)_3(OH)_4·3H_2O在低温下并没有出现磁有序,其基态则是类似于非磁性的自旋单态。4、利用机械球磨法合成了Haldane链化合物SrNi_(2-x)-x Mg_xV_2O_8(x=0,0.1)纳米晶。通过X射线粉末衍射以及Fullprof精修确定了纳米晶的晶胞参数和晶粒尺寸。磁化和ESR测量结果表明,随着晶粒尺寸的降低,原本的自旋链被破坏,同时在纳米晶表面形成大量S=1/2的链端自旋,最终导致体系磁化强度的增加和Haldane能隙的减小。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O469;O641.4
【图文】：

锯齿链,线性链,钻石,自旋链

图 1.1 (a)线性链 (b)Zigzag 链 (c)钻石链 (d)锯齿链一维自旋链的特殊之处表现在磁激发方面。海森堡自旋链的激发属于自旋子旋子是费米子。其色散关系是： (1里 J 代表反铁磁交换作用，a 和 q 则分别代表晶格常数和波矢。当 q→0 时，ω此该激发属于无隙激发。Haldane 认为，无隙激发只适用于自旋为半整数的一堡自旋链，当自旋为整数时，反铁磁自旋链的基态和激发态之间则存在能隙[26个能隙称之为Haldane能隙，自旋为整数的反铁磁一维自旋链称为Haldane自旋生这种差异的根本原因在于玻色子和费米子在交换作用下具有本质的区别，不交换对称性对磁激发的本质具有重要影响。实验证明，在诸多含有 Ni2+（S =自旋链体系 CsNiCl3[28]、SrNi2V2O8[29]和 Y2BaNiO5[22]中，激发谱中均观察到自旋而证实了 Haldane 的这一推测。

晶格,自旋系统,三角晶格,四方晶格

5图 1.2 (a)三角晶格 (b)Kagome 晶格 (c)四方晶格 (d)蜂窝晶格具有特殊晶格的二维自旋系统中由于晶格的几何特征或相互作用的竞争挫的形成。所谓阻挫是指在某些特殊的晶格中，由于无法同时满足体系铁磁交换作用，体系不能达到某个单一的基态，而是处于多重简并的低能假设体系中只存在一种最近邻的反铁磁交换作用，当磁性离子位于三角点位置时，如图 1.3 所示，两个近邻的自旋反平行排列，第三个自旋方向两难的境地。因为无论第三个自旋如何排列都无法使体系中所有的反铁得到满足，达到体系能量最小化。这些由晶格的几何结构所造成的阻挫挫。二维自旋系统中的三角晶格和 Kagome 晶格反铁磁体被认为是最简挫系统。

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