強磁場下鈷基自旋鏈狀化合物的晶體生長及物性研究

《強磁場下鈷基自旋鏈狀化合物的晶體生長及物性研究》是依託中國科學院合肥物質科學研究院，由趙邦傳擔任項目負責人的聯合基金項目。

基本介紹

• 中文名：強磁場下鈷基自旋鏈狀化合物的晶體生長及物性研究
• 項目類別：聯合基金項目
• 項目負責人：趙邦傳
• 依託單位：中國科學院合肥物質科學研究院

項目摘要

強磁場下材料製備是強磁場科學的一個重要套用領域。Co基自旋鏈狀化合物因其獨特的晶體結構而表現出豐富複雜的電輸運、磁性、介電、鐵電和熱電等物理性質，在基礎研究和潛在套用方面都有很大的研究價值。本項目擬在強磁場中生長Ca3Co2O6等Co基自旋鏈狀化合物晶體材料，利用強磁場控制晶體的成核生長過程進而對材料的形貌和結構進行調控，結合Monte Carlo模擬計算，獲取強磁場改變材料結構的內在機制，建立適當的理論模型。研究強磁場誘導生長對Co基自旋鏈狀化合物材料電輸運特性、自旋特性及熱電、介電、鐵電等功能屬性的影響，結合第一性原理方法計算，揭示強磁場對材料電子結構、自旋排列及其中複雜互動作用的影響規律及其機理，以加深對該類材料基態性質的理解，獲取提高材料功能特性的有效途徑和方法。

結題摘要

低維結構受挫Co氧化物材料因其獨特的晶體結構而表現出非常豐富的物理性質，如二維層狀Co氧化物的磁性和優良熱電性能，一維鏈狀Co氧化物的磁性、介電和鐵電性能等，在基礎研究和潛在套用領域具有重要的研究價值。在這些低維Co氧化物材料中Co離子大多存在多種價態、多種自旋態，它們的基態能量相差不大，是利用元素成分和強磁場誘導生長進行性能調控的理想材料體系。 在本項目中，我們選擇二維層狀Co氧化物Ca3Co4O9和一維鏈狀Co氧化物Ca3Co2O6作為研究對象，分別研究了元素替代和強磁場誘導生長對不同維度Co氧化物性能的調控效應，重點是對一維鏈狀Co氧化物的研究。首先利用和Co同族的Rh和Ir對Ca3Co4O9進行了成分調控研究，發現摻雜元素的價態和d電子軌道的拓展性均對材料的物性產生重要的影響，4d-Rh元素摻雜可誘導Co離子在室溫附近發生自旋態轉變，5d-Ir元素摻雜樣品在低溫區出現所謂的巨熱電現象。在一維鏈狀Co氧化物Ca3Co2O6的研究中發現，Ca3Co2O6晶體在低溫區出現的磁化台階對樣品冷卻過程中施加的磁場和Co位元素摻雜都非常敏感，適當強度的冷卻磁場(0.5-3.5T)和Co位元素(Cu元素)摻雜都可影響材料鏈內和鏈間磁互動作用間的平衡，進而對這些低溫磁化台階起抑制作用。鏈內和鏈間磁交換作用還可通過Ca位磁性離子的摻雜進行調控，Dy3+、Sm3+離子對Ca2+的部分替代可使材料的鏈內鐵磁作用減弱，鏈間反鐵磁作用增強，誘導出低溫玻璃態磁行為。而O位適量的F元素摻雜可使材料的導電類型發生由P型向N型的轉變。對Ca3Co2O6進行的強磁場誘導生長研究發現，材料生長過程中施加的強磁場對鏈內鐵磁作用影響不大，但可使鏈間的反鐵磁作用增強。另外，在本項目的資助下我們還成功研製了兩套強磁場下材料熱處理系統，可在強磁場下進行材料製備和熱處理，這為今後強磁場下功能材料的製備和性能調控奠定了設備基礎。