稀土掺杂CaCo2As2中的磁性、结构及其关联性研究

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近年来122体系铁基超导体的广泛研究使得具有同样层状结构的Th Cr2Si2型材料受到了越来越多的青睐,其中有关ATn2Pn2(A为碱土/稀土元素,Tn为Fe、Co、Mn等过渡金属,Pn为P、As等V主族元素)磁性的研究也成为了除超导电性外最备受关注的对象。在本论文中,我们以具有坍塌四方相层状结构的Ca Co2As2(CCA)反铁磁材料为主要对象,研究了Co空位和不同离子半径稀土(La、Sm)掺杂对其结构与磁性的调控影响,发现材料中的磁性与结构之间密切关联,并给出了不同体系可能的磁结构。主要内容有:1.利用真空固相反应法制备了不同Co空位的Ca Co2-xAs2(x=0.1、0.2、0.3)样品,通过粉末X射线精修分析发现随着Co空位的增多,c轴晶格常数从CCA中的10.3385?逐渐减小到Ca Co1.7As2中的10.2556?,c/a比值由2.593降低到2.568,体系坍塌程度变得更加严重。磁性研究发现Co空位的引入会抑制反铁磁序的转变温度,当Co空位含量从0增加到10%时,反铁磁奈尔温度由80 K降低到18 K,而进一步增加Co空位含量到15%时,在10-300 K内未发现反铁磁相变;结合XPS结果我们发现Ca Co2-xAs2中电荷平衡和磁相变温度的变化与Co的价态有关。2.系统研究了稀土La掺杂对CCA结构与磁性的影响。由于La具有比Ca更大的原子半径,掺杂使Ca1-xLaxCo2As2体系面内、外晶格常数、晶胞体积V、Co-Co和Co-As键长明显增大,当掺杂浓度x≥0.65时变化趋于缓和。对磁性研究发现La的引入使CCA中的Co 3d电子自旋由A型反铁磁有序转变为铁磁有序,矫顽场较小。铁磁居里温度Tc由Ca0.9La0.1Co2As2中的96 K增加至Ca0.2La0.8Co2As2中的178 K,在更高掺杂浓度下Tc变化不明显,和结构的变化规律类似。结合单晶的自助溶剂法制备与磁性研究我们证实Ca1-xLaxCo2As2为软磁材料,易磁化轴为c轴,并给出了体系的磁相图和可能的磁结构。3.对Ca1-xSmxCo2As2研究发现Sm的引入使得体系c轴晶格常数减小,也表现出铁磁有序,但主要源于Sm的4f电子自旋的贡献,和Ca1-xLaxCo2As2体系中Co 3d电子自旋的铁磁有序有明显不同。此外,由于存在复杂的Sm 4f和Co 3d电子自旋相互作用,体系的铁磁转变温度经历了三个不同阶段的变化。单晶的磁性结果表明掺杂后Ca1-xSmxCo2As2的易磁化方向由CCA中的面外方向转变成面内方向,最后我们还分析了Sm掺杂体系可能的磁结构与磁相图。
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