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磁阻挫材料RMnO₃和Dy₂Ti₂O₇的单晶生长与低温物性

作　者: 范诚
导　师: 孙学峰
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 阻挫磁性材料多铁性自旋冰磁单极子热传导
分类号: O737
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

阻挫磁性材料是由于体系内部多种相互作用之间不能相互兼容,使得基态存在宏观简并,展现出丰富的磁基态性质和量子相变行为,从而使其成为研究物质磁性以及量子相变的理想载体。而且阻挫磁性与高温超导、多铁性等功能材料密切相关,因此吸引众多物理学家的关注。本论文针对两种不同的几何阻挫体系,系统研究了具有六角结构的RMnO3(R=Y, Lu, Ho, Er, Tm)体系的单晶生长方法,并对其低温磁性质、比热、热传导、介电常数等性质进行了表征。还详细研究了烧绿石结构自旋冰材料Dy2Ti207在极低温强磁场环境中的热传导行为。论文正文分为三章,概要如下：第一章综述了阻挫磁性材料的研究进展。首先总体介绍了阻挫磁性材料中出现的各种新奇现象,并指出稀土烧绿石结构R2Ti207中存在的丰富物态；然后详细介绍了自旋冰材料Dy2Ti207的研究进展；另外还介绍了六角结构的多铁性材料RMnO3的研究进展；最后简单介绍了热传导的基本知识,以及在本文研究的体系中该方法的研究进展。第二章系统地研究了使用光学浮区法制备高品质的六角结构RMnO3(R=Y, Lu, Ho, Er, Tm)体系单晶的方法,得到了该体系单晶生长的最佳条件。并且发现在生长TmMnO3和ErMnO3单晶的过程中,会有过量的Er和Tm元素结晶入单晶内,导致浮区因缺乏Er和Tm元素而不稳定,无法持续生长。在原料棒中加入适量的Tm2O3和Er2O3就可以有效地解决问题,并顺利生长出高品质的单晶。X射线衍射及劳厄照相的结果证明了所得RMnO3单晶的高品质。另外还利用磁化率、比热、电阻、介电常数、热传导等测量手段研究了RMnO3单晶的低温物性。第三章研究了高品质Dy2Ti2O7单晶的低温物性。特别是极低温强磁场下的热输运性质。通过对零场的热导率分析发现,零场基态时Dy2Ti2O7单晶的热导率主要为声子贡献。磁场沿着[111]方向的热导率随磁场变化曲线在磁场诱导的转变处有明显的异常,并且在高场下仍然表现出磁场的依赖关系。这表明体系内部除了磁单极子激发以外,还需要引入非Ising形式的磁激发才能解释Dy2Ti2O7单晶的热传导性质。另外,当磁场沿[111]、[100]、[110]等不同方向时,κ(H)曲线在低场下都表现出不可逆性,而且不同方向磁场中的热传导不可逆性与磁化曲线的对应关系不同。其中H//[111]时,κ(H)的不可逆性可能起因于磁单极子激发被缺陷的钉扎作用。而H平行于[100]和[110]方向时,κ(H)的不可逆性与Dy2Ti2O7体系极低温下缓慢的自旋动力学过程有关。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-11
第一章阻挫磁性材料中的多铁性及自旋冰基态  11-54
  1.1 引言  11-12
  1.2 几何阻挫  12-15
  1.3 烧绿石结构R_2Ti_2O_7(R=rare earth)材料的奇特性质  15-18
    1.3.1 Gd_2Ti_2O_7和Er_2Ti_2O_7  16-17
    1.3.2 Tb_2Ti_2O_7中的复杂基态性质  17
    1.3.3 Yb_2Ti_2O_7中的量子自旋冰态  17-18
  1.4 自旋冰体系的研究进展  18-35
    1.4.1 自旋冰的定义  18-19
    1.4.2 自旋冰基态的理论模型及实验证据  19-23
    1.4.3 自旋冰中的磁单极子  23-26
    1.4.4 自旋冰体系的动力学性质  26-30
    1.4.5 磁场对自旋冰材料性质的影响  30-35
    1.4.6 Dy_2Ti_2O_7体系的真正基态是什么？  35
  1.5 六角结构RMnO_3的研究进展  35-46
    1.5.1 材料的多铁性  35-36
    1.5.2 六角RMnO_3的晶体结构及几何铁电性  36-38
    1.5.3 六角结构RMnO_3的磁电性质及相图的研究进展  38-46
  1.6 磁性材料的热传导研究  46-49
    1.6.1 热传导简介  46-47
    1.6.2 自旋冰材料的热传导研究进展  47-49
  1.7 存在问题  49
  1.8 本章总结  49-50
  参考文献  50-54
第二章六角结构RMnO_3(R=Y,Lu,Ho,Er,Tm)的单晶生长及物性研究  54-77
  2.1 引言  54-55
  2.2 六角结构的RMnO_3(R=Y,Lu,Ho,Er，Tm)的单晶生长研究  55-62
    2.2.1 光学浮区法的生长原理及优势  55-56
    2.2.2 六角结构的RMnO_3(R=Y,Lu,Ho,Er,Tm)的单晶生长及表征  56-62
  2.3 六角结构的RMnO_3(R=Y,Lu,Ho,Er,Tm)单晶的物性研究  62-74
    2.3.1 实验方法  62-63
    2.3.2 六角结构RMnO_3(R=Y,Lu,Ho,Er,Tm)单晶的磁性测量及分析  63-69
    2.3.3 六角结构RMnO_3(R=Y,Lu,Ho,Tm,Er)单晶的比热测量及分析  69-70
    2.3.4 六角结构RMnO_3(R=Y,Lu,Ho,Er,Tm)单晶的热导率测量及分析  70-72
    2.3.5 六角结构RMnO_3(R=Y,Ho,Er，Tm)单晶电阻及介电常数测量及分析  72-74
  2.4 本章总结  74-75
  参考文献  75-77
第三章自旋冰材料Dy_2Ti_2O_7单晶的低温物性  77-103
  3.1 引言  77-78
  3.2 实验方法  78-79
  3.3 Dy_2Ti_2O_7单晶的生长及表征  79-85
    3.3.1 烧绿石结构Dy_2Ti_2O_7的单晶生长及结构表征  79-80
    3.3.2 Dy_2Ti_2O_7单晶的磁性及比热研究  80-85
  3.4 Dy_2Ti_2O_7单晶的热传导研究  85-96
    3.4.1 零场下Dy_2Ti_2O_7单晶的热导率分析  85-87
    3.4.2 磁场沿着[111]方向时Dy_2Ti_2O_7单晶的热传导研究  87-89
    3.4.3 高场下Dy_2Ti_2O_7单晶热导率随磁场变化的分析  89-91
    3.4.4 Dy_2Ti_2O_7单晶热导率随磁场变化的不可逆性研究  91-95
    3.4.5 不同方向磁场中Dy_2Ti_2O_7单晶热导率的不可逆性研究  95-96
  3.5 本章总结  96-97
  3.6 本章附录  97-100
  参考文献  100-103
在读期间发表的学术论文及取得的其它研究成果  103-106
致谢  106

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