（凝聚态物理专业论文）稀土金属相间化合物的结构及磁性.pdf

鲁彦涛稀土金属相间化合物的结构及磁性 摘要 在稀土金属间化合物体系中，以稀土元素y b 或c e 等为基的化合物，无论在 实验方面还是理论方面都受到了人们特殊的关注，原因在于它们具有丰富的物理 性质比如金属间价态转移，稠密近藤效应，重费米子和超导性等等。大多数化合 物特殊的物理行为主要和4 f 电子组态有关，包括n 的甜3 、耵4 和c e 的钉、4 ， 由于其失去外层电子，所以其电子组态变的不稳定，这引起了一系列实验上可以 观测到的电子和自旋涨落的物理现象。和这些涨落相联系的是4 f 局域电子和离域 的传导电子之间的杂化。 因为4 f 电子波函数的空间扩展比较小( 小于0 5a ) ，相邻的磁性壳层也几乎不 重叠，在非磁性的母体中掺杂4 f 电子原子，低温时f 电子与传导电子杂化而导致 态密度急剧增大，同时，又因交换作用，f 电子的自旋与周围传导电子的自旋方向相 反，从而磁矩被部分抵消。当掺杂的磁性离子建立起完整的子格子时，所谓的近藤 品格形成了。近藤晶格效应和稀薄近藤效应在高温时表现出显著的相似性。因为 近藤晶格中磁性离子之间的相互作用，形成近藤单态时的能量增益应小于稀薄近 藤效应时的情况。这意味着在磁性原子间相互作用足够强时，近藤单态不会形成。 稀土金属间化合物体系特殊的物理性质吸引了人们对其理论性质和实验性质 做出努力。第一个理论模型对稀薄磁性合金中其对数电阻率增加的物理机制的解 释始于1 9 6 4 年的近藤理论。该理论认为近藤效应来源于局域磁性杂质与金属中传 导电子的交换作用，在一定温度( 近藤温度) 之下，交换作用产生的自旋翻转散 射使得传导电子与局域磁矩形成自旋单态，进而对局域磁矩产生屏蔽效应，导致 了费米能级附近的所谓近藤共振。近藤共振依赖于金属费米面态密度以及磁性杂 质与传导电子交换作用的强度。接着对稠密近藤体系的理论解释比较成功的模型 就是c o q b l i n s d l 鲥e 疏r 模型，这种模型包括轨道简并的4 f 磁性离子掺杂，比如c e ( j = 5 2 ) 和y b ( j = 7 2 ) 的掺杂。然而，统一的对稀土体系和近藤问题联系的价态 涨落的解释还没有建立，原因在于该体系包括很多复杂的多体问题比如杂化，电 子间关联，电子过滤和电子光子耦合等。 在8 0 年代晚期，以n 金属元素为基的系列二元或三元化合物y b c u 5 x m x 2 扬州大学硕士学位论文 ( m = i i l ，a g ，a u ，p d ，a 1 和g a ) 被发现，低温下它们具有丰富的基态性质，包 括混合价态，近藤晶格，重费米子和反铁磁有序。这种不同的基态现象源于4 f 电 子和传导s 电子的相互作用( 即k o n d o 相互作用) 和r k k y 相互作用两种机制相 互竞争的结果。为了解释强关联电子现象，三元体系y b c u 5 吨m 。作为实验的好的标 的被广泛的研究。 本论文回顾总结了已有关于稀土金属间化合物体系的若干重要的研究成果和 最新进展。利用真空电弧炉熔炼法合成了y b c u 5 略h l x 体系金属，并且对这个体系的 结构、磁性进行了了系统的研究，获得了若干有价值的研究结果： 实验得出的y b c u 5 x i n x 是c 1 5 b 型结构，扫描电子显微镜显示样品的表面及横 截面，其表面平整光滑纹理清晰细致，内部结构连接正常；利用s q u i d 技术测量 了样品y b c u 5 x h l x( x = o 2 ，o 4 ，o 。6 ，0 8 ，1 ) 在4 2k 和3 0 0 k 之间的磁化强度与温度 变化曲线，结果表明y b c u 4 h 在4 0k 附近显示出明显的具有一级相变特征的y b 离子价态转移现象；在15 0 k 以上y b c u 5 x k ；样品显示居里夕 、斯型( c u r i e ，w e i s s ) 型顺磁行为，y b 离子为局域三价态( y b 3 + ，4 3 ，j = 7 2 ，如= 4 5 4 心) 。 关键词：c 1 5 b 型结构，价态转移，k b n d o 效应，磁化率 鲁彦涛稀土金属相间化合物的结构及磁性 3 a b s t r a c t 加n o n gm el a 略eb o d yo f 删c - e a m li i l t 锄e t a l l i c s ，m eg f 0 1 l po fc e 锄dy bb 器e d c o m l ，0 u n d sh a v er a c e i v e dp a r t i c l l l a ra t t e n t i o ni nb 0 le x p 鲥m e i l t a l 姐dm i e o r e t i c a l 碍s p e c t sd u et 0 也e i rr i c ：hv a r i e t yo f u n u a u a lp h y s i c a lp r o p e r t i e ss uc _ h 鹪i i l t e n i l e d i a t e v a l e n c e ，妇l s e k 0 r k l oe 腩c t h e a v yf 跏o n锄ds u p e r c 0 i l d u c t i v i 锣 e t c 1 1 1 e c x t r a o r d i n a r yb e h a 访o rf b u i l df o rm o s to fm e s ec o m p 0 舶d si sm 枷y 鹤s 0 c i a t l e d 、) i ，i lt l l e 4 fe l e 咖1 1 i cc 0 n f i g 啪t i o nw h i c hi s 哪a l l y4 f lf o rc e 锄d4 3f o ry b 洲n gt 0 l e p r o x i i i l 埘o fm e 尬s p e c t i v e 4 f i 锄d4 p 3c o n f i g u m t i o nt o 锄锄晰4 f o o ra 丘1 1 e d4 f 1 4 s h e l l ，也ee l 眺o i l i cc 0 i g u r a t i o nm a yb e c 明：l l eu n s t d b l e ，w k c hc a u s eav 撕e 哆o f o b s e a b l ep h y s i c a lp h 饥o m 印ad l l a 幻c h a 唱eo rs p i l ln u c t u a t i o n a s s o c i a t e dw i m 跚c h n 咖a t i o nn l e r eo c c u r sac o n s i d e r 曲l eh y b d i z a t i o nb e t w 咖t 1 1 el o c a l i z e d4 fe l e c 仃o n s a n dm ed e l o c a l i z e dc o n d u c t i o ne l e c t r o n s b e c a u s et h es p a t i a le x t e i l s i o no fm e4 fw a v e 如n c t i o ni sr a t h e rs m a l l ( 1 e s sm a n 0 5 a ) ，t 1 1 e c o i l c e n t r a t i o no fm a g n e t i c4 fi i n p u r i t i e si l lan o n m a g i l e t i ch o s tc 强b e s u r p d s i n 哲yl l i g hw i t l l o u t o l a t i n gt 1 1 ec o n d i t i o n sn e c e s s a 巧内rt l l ek o n d oe 筇e c tt 0 o c c u r 1 1 1 i sl e a d st 0a 笋o u po fa l l o y st m e dd e i l s ek - 0 n d 0s y s t e m w h e i lt h em a 印鲥c i o n sb u i l du par e g u l a rs u b l a m c e ，s o c a l l e dk 0 n d ol 甜i c ei sm e l lr e a l i z c d k o n d o n l a t t i c e s 丘e q u e n t l ys h o w ss t r i l d n gs i i i l i l 撕t i e sw i t l ln l ed i l u t ek 0 j d os y s t 锄a tl l i g l l t e m p e r a t i l r e b e c a u s eo fm ei n t e r a c t i o n sb e t w e e nm em a 盟e d ci o n so ft 1 1 el a t t i c e 地 e n 鸭yg a i np r o v i d e db yt l l es i l l 酉e tf 0 肌a t i o ns h o u l db el 韶st l l 觚l a ti i l m es i i l 哲e j i i i l p u r i 锣c 懿e t m si n l p l i 鹤l a tm es i n 百c tf o n i l a t i o ns h o u l dn o to c c u rw i - e nm e 硫e 娼i t e 缸e r a c t i o ni ss u 伍c i e i l t l ys 廿i o n g h lt 1 1 a tc 鹤e c o m p o l l l 】【d so r d e rm a g n e t i c a l l y w i 也r e d u c e dm a 伊以cm o 玎蝴i t s t h eo u t s t 觚d h 堰p r o p e r t i e so fr a r e e a n t lb a s e di n t 锄e t a l l i cs y s t e m sh 乏l v et r i 睽州 m u c h l e 0 删c a l 锄de x p 甜m 酬e 肋r t t h ef i r s t l e 0 硎砌m o d e le x p l a i l l 她l e m e c h a l l i 锄o ft 1 1 el o g 撕l m i cr c s i s t i v i t y ：i i l c r e 嬲ei nd i l u t em a g n e t i ca l l o y sw 雏p l l t f 0 刑a r di nl9 6 4b yk b n d o l a t e ras l l c c e s s f b ld e s 嘶p t i o no fd e 硒ek o n d os y s t e m ， c o n t a i l l i n g4 fm a 盟以ci l i l p u r i t i e so fal 卿雪e ro r b i t a ld e g e i l 盯a c ys u c h 弱c e ( j = 5 2 ) a n d 4 扬州大学硕士学位论文 y b ( 7 2 ) ，w 私舀v 既b ym ec o q b l i n - s c h e r i e 脓m o d e l au i l i f i e dn 唧r e 伽o nt 0 v a l 锄c cn u c 嘣i o np h e n o m 锄a0 b s e r v e di 1 1 砌静e 袖s y s t i 咖s ，砌c hi sd o s e l yr e la t i 觅 t 0t l l ek o n dp r o b l 锄，h o w e v e ri ss t i l l l a c ku 1 1 t i lt o d a y ，b e c a u s ei ti i i v o l v 铬ac o m p l i c a t e d m 锄y - b o d yp r o b l 锄s 鲫c h 觞h ) b r i d i z “o n ，i n 昀，s i t ec 0 仃e l 撕。玛e l e c 仃0 ns 嘲血ga n d e l e c 缸o n p h o n o nc 0 唧l i i l ge t c i i ll a t e r1 9 8 0 s ，ac l a s so f y bb a s e dt e m a r yy b c u 5 x m x ( m = i n ，a g ，a u ，p d ，灿 和g a ) c o m p o 啪d sw e r ef o u n dt oe 又i l i b i ta d c hv a r i e t ) ，o fl o w - t 锄p 咖印吼ds t a t e p r o p e n i e si n d u d i n gm i x e dv a l e n c e ，k b n d 0l 枷c e ，h e a 呵f c n l l i o na i l d 锄t i f e 仃0 m a 印e t i c o r d e 血l g n ev a r i o u sg r o m l ds t a t ep h c i l o m e n ao n 百n a t e 舶m t h em t e r a c t i o nb e m 咖4 f e l e c 臼0 n sa i l dc o n d u c t i o ne l e c 仃d n s硒a c o n s e q u c eo fm u 删l yc 0 m p e t i n g m e c h 枷s m s 鲫c h 嬲o n s i t ek o n d oe 虢c t ，i n t 昏s i t er k k yi n t e r a c t i o na n dc r y s t a l 一f i e l d s p l i t t i n ge 仃e c to ng r o u n dm u l t i p l e t h lp e r s u i n gm e u 1 1 i v e r s a lu n d e r s t a n d i n go fs 协o n 西y c 0 1 1 r e l a t e de l e c 仃d np h e n o m e n a ，t h et 锄a r yy b c u 5 x m xs y s t e l l l ，a sap r o m i s i n gc h e m i c a l c a n d i d a t e ，i sb e i n gi n v e s t i g a t e de x t e n s i v e ly w bf i r s tr e 访e w e dt 1 1 er e s e a r c ba c l ：l i e v 锄e n t so fr 锄e e a “hi n t e n n e t a n i c s 趾dn e w p r o g 嘲s ；t h e nw es 灿e s i z e dc l5 b 一姊ey b c u 5 x h xs 锄p l e sw i ma r c - m e l t i n gm e t h o d t h 饥w ec l l i e n ys t u d i e dt l l e i rs 缸1 l c t u r e 锄dm a 印鲥cp r o p e n i e do ft 1 1 ey b c u 5 - x i i l x s y s t 锄m a 证删l t so fm yw o r ka r es h o w na sf o l l o w i n g ： r a 倍e a r mi i l t e 力 1 1 e t a l l i c st 锄a r yc15 b - t y p ey b c u 5 h xs a m p l 懿w e r ep 唧a r e db y a r c - m d 血1 9m e 廿1 0 d p o l y c 巧s t a l l 洫e x i 江is h o w s l a tm es 觚l p l 懿h a v eac u l b i c cl5 b - t y p es 廿u c t u r e ，锄dw ea l s of o u n dm a t 廿1 el 砌c ec o l l s t a l l to fy b c u 5 x h c o m p o u i l d si i l c m 够懿l i l l e a l l yw i mi i l c 0 n t ti n c r e 硒i i l g t h em tc u 懿，讹c h m e a s 、l r e db ys q u dt e c 城小l e r e v e a l s 也a t l ef i r s r d e rv 2 l l e n c e 仃a n s i t i o ni l l n c u 5 - x i n xs b j f t st 0l l i g l l c rt 锄p 栅锄db e c o m 懿b r o a d e i l e ds i 鲥6 c 觚t l yw i m d c c 豫弱i i l gi i l - c 0 r i t e n ta l l da b o v e15 0 k l es a n l p l e sd i s p l a yc l m e - w e i s sp 硼瑚a 印舐c b c h a v i o r ，l ey bi o nw 弱l o c a l i z e dt r i v a l 酬蛐( n 3 + ，4 f 1 3 ，j = 7 2 ，衔= 4 5 4 心) k e yw o r d s ： c 15 b - t y p es 们i c t l l r e ，v a l e i l c e 由r a l l s i t i o 玛k o r i d oe 仔e c t ，m a 印e t i c s i l s c 印t i b i l i t y 扬州大学硕士学位论文 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的研 究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表 的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名名毳哮 签字日期：d ) 年月5 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。 本人授权扬州大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学 技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 学位论文作者签名：虏秀许导师签名：钐写搏 签字日期： 斫年么月弓日签字日期：易研年台月垆日 | ( 本页为学位论文末页。如论文为密件可不授权，但论文原创必须声明。) 鲁彦涛稀土金属相间化合物的结构及磁性 5 第一章绪论 1 1 引言 稀土元素是镧系元素和稀土类元素群的总称，包含钪s c 、钇y 及镧系中的 镧l a 、铈c e 、镨p r 、钕n d 、钷p m 、钐s m 、铕e u 、钆g d 、铽t b 、镝d ”钬 h o 、铒e r 、铥t m 、镱n 、镥l u ，共1 7 个元素。 “稀土”一词是十八世纪沿用下来的名称，因为当时用于提取这类元素的矿 物比较稀少，而且获得的氧化物难以熔化，也难以溶于水，也很难分离，其外观 酷似“土壤，而称之为稀土。稀土元素分为“轻稀土元素”和“重稀土元素：“轻 稀土元素”指原子序数较小的钪s c 、钇y 和镧l a 、铈c e 、镨p r 、钕n d 、钷p m 、 钐s m 、铕e u 。“重稀土元素”原子序数比较大的钆g d 、铽t b 、镝d y 、钬h o 、 铒e r 、铥t m 、镱y b 、镥l u 。 金属间化合物是指由两个或更多的金属组元按比例组成的具有不同于其组成 元素的长程有序晶体结构和金属基本特性的化合物。 在稀土金属间化合物体系中，以稀土元素y b 或c e 等为基的化合物，无论在 实验方面还是理论方面都受到了人们特殊的关注，原因在于它们具有丰富的物理 性质比如金属间价态转移，稠密近藤效应，重费米子和超导性等等。大多数化合 物特殊的物理行为主要和4 f 电子组态有关，包括y b 的4 f 1 3 、4 ，4 和c e 的4 一、4 f d ， 由于其失去外层电子，所以其电子组态变的不稳定，这引起了一系列实验上可以 观测到的电子和自旋涨落的物理现象。和这些涨落相联系的是4 f 局域电子和离域 的传导电子之间的杂化。杂化相互作用的大小可以通过下面的公式即所谓的黄金 定律来确定： r = 万矿2 ( 耳) ， 式中v 是一个杂化相互作用行列基元的平均，n ( e f ) 为费米能级态密度，根 据r 和e o 的大小关系，主要存在着以下三种可能情况： ( 1 ) r 口e 0 ：稳定的4 f 壳层结构 6 扬州大学硕士学位论文 ( 2 ) r q 图1 1 3y b c u 4 1 1 1 中y b 离子的一级价态转移的压强效应【1 5 】 y b c l l 4 1 1 1 的电子能带结构的计算基于自洽a p w 方法的计算。图1 1 4 为y b c u 4 i i l 的态密度的图像。费米能级为o 5 0 3 3 r y 。n 离子的4 侑皂带升高并穿过费米能级，因 为4 f 局域态密度估计值基本退化。能带结构的总体特征表明y b c u 4 h 1 具有半金属的 特征。e f 上的态密度为6 0 4 单位对应着7 = 1 0 5 m j m o l e k 2 这些计算结果和上面提到 的计算结果一致。 鲁彦涛稀土金属相间化合物的结构及磁性 1 9 二凯 h l ：lf 一 ： i 叫l 以石 一二y bd l l 。1 上一，| _ 。胁l 二 - 1 n i 从i mhi 。 l - r - 一i ns 击宙f i i li i j 帆h i l i j 一j i ! l 瓜k 小，l 一c u 一一 抵赫h 。a 矗_ 。二 _ 竺杰。m ， i m 订j “ 图1 1 4y b c 啦h l 的态密度图像【1 6 】 总之，宏观测量和微观测量都证明了y b 离子从高温局域态( y b 3 + ，4 3 ，j ：7 2 ) 到4 0 k 以下金属间价态( 平均价为2 9 ) 的价态转移。后一种态对应着所谓“增强 泡利顺磁费米液态而非非磁性的二价态( 4 ，4 ，j = 0 ) 。习惯上，4 砘子和传导电 子的混合被认为很小因为4 砘子波函数的镧系收缩，因此混合机制的磁有序温度被 认为是很小。然而) c u 4 h l 中) 的价态转移现象似乎是从近藤态到价态涨落态，这 里s f 杂化起主要的作用。从这个意义上讲，s f 杂化作用的估算是最重要的的问题。 和传统理解不同，) c u 4 h l 的s f 杂化作用几乎和c e 基化合物一样。因此y b c l l 4 i n 是 一种有趣的化合物。 扬州大学硕士学位论文 1 4y b c u 4 9 的近藤晶格效应和重费米子行为 虽然y b c l 啦g 和y b c l l 4 i i l 两者结构相同，但是y b c 啦g 被确认为典型的近 藤晶格体系，其显示出重费米子行为。 图1 1 5 为y b c 峨的磁化率z ( t ) 和温度曲线【1 7 1 。图中实线为通过c s 模 型( j = 7 2 ) 拟合出的曲线。在1 0 0 k 到3 0 0 k 之间，y b c 啦g 的z ( t ) _ t 遵从 居里外斯定律，在3 5 k 时z ( t ) 有个极大值，在t 一0 时，z ( 0 ) 为一个常数，其 值的大小为2 0 7 1 0 0 锄u m o l e 。这种行为已经用c 0 q b l m s c 城e 脆r 模型成功解释， 其产生原因在于近藤晶格的形成。特征温度耻1 6 7 0 5 k 被用来产生理论曲线。当 稀土元素离子和传导自旋电子之间发生的反铁磁交换耦合超过r k k y 作用并起主 导作用时，近藤晶格行为发生了。图1 1 6 为相同结构的y b c 雌u 、y b c u 4 p d 、 y b c m g 的z _ 1 和温度t 关系曲线图【17 1 。根据居里外斯定理得到的y b c 啦g 的y b 3 + 离子的有效磁矩p 田非常接近于自由n 3 + 离子有效磁矩4 5 4 心的理论值。 t e a lr ，e r 丁u r e ( k j 图1 1 5y b g 的磁化率z ( t ) 和温度曲线1 7 】 鲁彦涛稀土金属相间化合物的结构及磁性 2 l t e m p e r a t u r e ( k ) 图1 1 6 相同结构的y b c u 4 a u 、y b c u 4 p d 、y b c u 4 a g 的z 1 和温度t 关系曲线 图【1 7 】 图1 1 7 为y b c u 4 a u 、y b c u 4 p d 、y b c l l 4 a g 三种化合物电阻率( 图中用p ( t ) p ( 2 9 5 k ) 表示) 和温度t 关系曲线图【1 7 1 。每种化合物的图像展示出不同的行为。 在8 0 k 以上，三者表现出对温度的较小依赖。然而，在6 0 k 以下，y b c 蚶g 的 电阻率有个剧降，并且在1 k 到2 8 k 之间遵从t 2 幂定律，这是费米液体的典型特 征。 图1 1 8 为三种化合物的比热c 和温度t 之间的关系酬1 7 1 。y b c 啦u 的c ( t ) 极值为o 8 k ，) c l l 4 p d 的c ( t ) 极值为o 6 k ，它们和长程抗磁有序相关。而即 使) 叭g 到所测量的最低值o 4 5 k 也没有发现磁有序行为的发生。y b c 啦g 的 电子比热系数估算为2 4 5 砒o l l p ，对应的有效质量m 木为6 0 i l l 。，因此y b c l l 4 a g 化 合物为重费米子体系化合物。 扬州大学硕士学位论文 t e m p e r a t u r e ( k ) 图1 1 7y b c l l 4 a u 、c u 4 p d 、y b c l l 4 a g 三种化合物电阻率和温度t 关系曲 线图【1 7 】 y b a g c u - - 一 。i n a u c 也 一 ：。 ： ；y b p d c 虬 。 - - ， 一一”。 t e m p e r a t u r e ( k ) 图1 1 8 y b c l l 4 a u 、y b q 廿d 、y b c 啦g 的比热c 和温度t 之间的关系副1 7 】 因为低温热力学性质能够用简并的c s 掺杂模型很好的描绘出来( j = 7 鲁彦涛稀土金属相问化合物的结构及磁性 2 ) ，晶场激发作用在y b 叫g 的化合物中基本可以忽略不记。所有测量结果使 得我们可以把n c 啦g 的重费米子性质归因于近藤效应yb3 + 离子的2j + 1 种 量子态的多样性在起作用。因此，对于y b c 啦g 来说，传导电子和4f 电子的耦 合( 称为s f 杂化) 比4 f 电子间的r k k y 相互作用和晶场劈裂作用要强的多。 图1 1 9 1 2 l 【1 8 】为y b c 啦g 的在不同压强下的电阻率曲线。众所周知，流体 静力学压强主要影响参数j n ( e ，) ，其中j 为s f 耦合常数，n ( ef ) 为费米能 级上的电子态密度。因为近藤晶格( 即近藤温度t k 和r k k y 相互作用温度t r ) 的特征能量在不同的分析方法中取决于jn ( ef ) ，流体静力学压强可能影响这 些能量的平衡，也可能改变了化合物基态的性质。 图1 1 9 ，随着压强的增加，电阻率的极大值向低温区域移动。同时地，p ( r ) 的初始斜率增大。这种电阻率变化的特殊行为和以前报道过的c e 基和u 基化合物不 同。在1 0 0 k 以上，y b c 啦g 的电阻率行为可以通过考虑单一掺杂的近藤效应来解 释。等式遵循p ( t ) = po + p ，。( t ) + p 。( t ) = a + b t c ln ( t ) ，其中b t 代表声子散射，c l n t 代表黜散射，p 。代表剩余电阻率。参数a 、b 、c 作为压 强的函数。随着压强的增加，剩余电阻率p 。也增加。在较低温度以下，声子散射项 b t 可以忽略，但是k o n d o 散射相系数c 却有个弱小的改变。在1 0 0 k 以下，因为近 藤晶格的形成，方程不能解释观察到的行为。在近藤晶格区域，增加的压强导致 系数a ( p a t 2 ) 从8 nq 删( 0 k b a r ) 到2 7 7 n q 删( 8 0 k b a r ) 强烈的增加。 对费米液态的po c at2 的行为，前因子a 通过a n ( e f ) 2 式子，和费米能级的 态密度相联系，这意味着n ( e f ) 和增强的压强相关。 2 4 扬州大学硕士学位论文 c3 0 u g i 。2 0 q i o 0 o5 01 0 0 1 5 02 0 0 2 5 03 0 0 t k 】 图1 1 9y b c l l 4 a g 不同压强下电阻率和温度曲线【1 8 】 ， e o c 3 a q i q 图1 2 0 y b c 啦g 的( d 一岛与r 2 关系副1 8 】 鲁彦涛稀土金属相间化合物的结构及磁性 ，一 c c ， g i - 一 锄 e 诅 图1 2 lp 。( t ) 和温度t 关系曲线【1 8 】 n 晰g 的磁性对电阻率的贡献如图1 。2 l 【1 8 】，p 。( t ) 显示出负对数行为， 表明k 0 n d o 的散射行为。在压强之下，高温( 温度 l o o k ) 绝对电阻率的值随着 lnp ( t ) 斜率的略微增加而减少；在低温区，p 。，( t ) 增加。这种趋势可以 用c o m u t _ c o q b l m 模型来理解。在这种模型中，磁性对电阻率的贡献尸。( t ) 由自旋无序电阻率和k o n d o 散射项( h l t ) 组成。前部分依赖于j 2 n ( e f ) ，后部 分是i ，3 ( 廓) 】i 的函数。因此对数斜率压强的提高是l 3 ( 耳) 】2 l 值增加的结果。 绝对电阻率的值在较高温度下由于压强作用的减小和自旋无序电阻率j 2 n ( e f ) 的 贡献直接相关。 y b c 啦g 化合物磁场对电阻率的影响见图1 2 2 【1 9 】。零场时，曲线如图所示， 加上8 t 磁场后，其剩余电阻率岛，t 2 系数a ，l 啡暴跌到相同的值。很显然，8 t 对7 3 k b a r 影响最小，对9 8 k b a r 稍大，对1 6 0 k b a r 影响最大。因为t 0 随着压强的增 加而减小，这种趋势意味着固定的场大小大概为几疗瓦。定性地，磁场效应可 以这样理解，如果特征能量大小为t o ( h ) ，用模型t o ( h ) t o 【l + ( 儿日k 瓦) 2 】1 彪 描述，式中t 0 为零场级别。 扬州大学硕士学位论文 ，、 e u c ： 1 、- 一 q 图1 2 2y b 叫g 不同压强下的电阻率温度曲线图【1 9 】 图1 2 3 是6 3 5 c u 的y b c l l 4 a g 和l u c 雌g 在4 2 k 时的n q r ( 核电四极共振) 的光谱图。很显然，图中光谱的线宽是y b c l l 4 i n 的n q r 光谱线宽的3 4 倍。 y b c u 4 a g 的n q r 光谱的频率粗略估计为u ( 的c h ) = 1 0 6 m h z ，d ( 6 5 c u ) = 9 9 m h z ； l u c u 4 a g 的n q r 光谱的频率粗略估计为u ( 6 3 c u ) = l o 1 m h z ，d ( 6 5 c u ) = 9 2 m h z 。 ) c 啦g 和l u c 啦g 光谱细微的不同也意味着电子对两者d 贡献几乎相同。比如 4 f 电子完全的局域化。从6 3 c u 的n q r 测量得到的两种化合物的核自旋晶格松弛 率1 厂r l 见图1 2 4 。) c m g 的1 厂r l 随温度减小而显著减小，但是却不符合t l t = 常数定律。这意味着4 f 电子参与到了费米能级附近的激发，4 f 电子离域的程度随 着温度的减小而逐渐改变。反言之，l u q 训堍的1 厂r l 遵从t l t = 常数定律，表明传 导电子的k o r r i n g a 机制支配着松弛率l 厂r l 。 鲁彦涛稀土金属相间化合物的结构及磁性 图1 2 3y b c u 租g 和l u c u 4 a g4 2 k n q r 光谱f 2 0 】 图1 。2 4y 七c 啦g 和l u c 啦g1 玎1 t 关系曲线【2 0 】 总之，y b c 啦g 的磁化率和比热的磁性部分能够用j = 7 2 的c s 模型( 模型 中特征温度t 0 为1 5 0 k ) 得到的结果来解释。无论是特征温度还是通过理论模型预 测的磁化率和比热的结果都表明y b 系统化合物的4 f 电子和传导电子的耦合( 即 s f 耦合) 强于4 f 电子间的r k k y 作用和晶场劈裂效应。此外，y b c u 4 a g 的电阻 率p ( 2 。) 和温度曲线可以用典型的近藤晶格的行为特征表述，比如低温下的 p ( r ) = p 州心。总的电阻率行为般可以用从高温下非相干的近藤( y b 离子为三 扬州大学硕士学位论文 价) 散射到相干的低温近藤晶格的过渡态来理解。已经证明，这种最大量不是由 于晶场劈裂原因造成的。t n 撒事实上反映的是体系的特征近藤温度t k ，其随着压 强的增加而剧减。这种特征温度t k 和压强的非相关性表明电子态密度( e f ) 的 耦合时间很小。然而因为和n ( e f ) 成比例的系数a 随着压强增加，我们应该考 虑到j 随着压强的改变减小值很低来超过n ( e f ) 的增加。这种压强反映在以y b 为基化合物中很典型，但是在c e 或u 基化合物中却不是很常见。 1 5 研究目的和研究内容 金属间化合物是指由两个或更多的金属组元按比例组成的具有不同于其组成 元素的长程有序晶体结构和金属基本特性的化合物。 在稀土金属间化合物体系中，以稀土元素y b 或c e 等为基的化合物，无论在 实验方面还是理论方面都受到了人们特殊的关注，原因在于它们具有丰富的物理 性质比如金属问价态转移，稠密近藤效应，重费米子和超导性等等。大多数化合 物特殊的物理行为主要和4 f 电子组态有关，包括y b 的4 3 、4 4 和c e 的4 f i 、4 f 0 ， 由于其失去外层电子，所以其电子组态变的不稳定，这引起了一系列实验上可以 观测到的电子和自旋涨落的物理现象。和这些涨落相联系的是4 f 局域电子和离域 的传导电子之间的杂化。 因为4 f 电子波函数的空间扩展比较小( 小于0 5a ) ，相邻的磁性壳层也几乎不 重叠，在非磁性的母体中掺杂4 f 电子原子，低温时f 电子与传导电子杂化而导致 态密度急剧增大，同时，又因交换作用，f 电子的自旋与周围传导电子的自旋方向相 反，从而磁矩被部分抵消。当掺杂的磁性离子建立起完整的子格子时，所谓的近藤 晶格形成了。近藤晶格效应和稀薄近藤效应在高温时表现出显著的相似性。因为 近藤晶格中磁性离子之间的相互作用，形成近藤单态时的能量增益应小于稀薄近 藤效应时的情况。这意味着在磁性原子间相互作用足够强时，近藤单态不会形成。 重费米子金属( 也称重电子金属) 主要是指以稀土元素c e 、或锕系元素u 等为 基的一些二元或三元金属间化合物，它的低温电子比热系数值y 是普通金属几十乃 至几百倍( 一般来讲，y 大于或接近于4 0 0 i n j m o l e k 2 ) 。在许多方面，重费米 鲁彦涛稀土金属相间化合物的结构及磁性 子体系等同于近藤晶格体系。比如，高温下两者的电阻率和1 n t 成比例。然而， 在特征温度以下，两者表现却不相同。对于稀薄近藤体系，它的电阻率随着t 专0 而增加直至为一个常数，而近藤晶格和重费米子体系的电阻率在低温下却都有一 个突降。这个突降是由于磁性离子形成了一个完整的晶格。近藤晶格的基态是需 要研究的相关性质，这些性质多数呈现出费米液体、非费米液体和反铁磁行为。 稀土金属间化合物体系特殊的物理性质吸引了人们对其理论性质和实验性质 做出努力。第一个理论模型对稀薄磁性合金中其对数电阻率增加的物理机制的解 释始于1 9 6 4 年的近藤理论。该理论认为近藤效应来源于局域磁性杂质与金属中传 导电子的交换作用，在一定温度( 近藤温度) 之下，交换作用产生的自旋翻转散 射使得传导电子与局域磁矩形成自旋单态，进而对局域磁矩产生屏蔽效应，导致 了费米能级附近的所谓近藤共振。近藤共振依赖于金属费米面态密度以及磁性杂 质与传导电子交换作用的强度。接着对稠密近藤体系的理论解释比较成功的模型 就是c o q b l i n s c h 鲥e 丘研模型，这种模型包括轨道简并的4 f 磁性离子掺杂，比如c e ( j = 5 2 ) 和y b ( j - 7 2 ) 的掺杂。然而，统一的对稀土体系和近藤问题联系的价态 涨落的解释还没有建立，原因在于该体系包括很多复杂的多体问题比如杂化，电 子间关联，电子过滤和电子光子耦合等。 在8 0 年代晚期，以y b 金属元素为基的系列二元或三元化合物y 飞c u 5 x m x ( m = i n ，a g ，a u ，p d ，a l 和g a ) 被发现，低温下它们具有丰富的基态性质，包 括混合价态，近藤晶格，重费米子和反铁磁有序。这种不同的基态现象源于4 f 电 子和传导s 电子的相互作用( 即k o n d o 相互作用) 和r k k y 相互作用两种机制相 互竞争的结果。为了解释强关联电子现象，三元体系y b c u 5 x m x 作为实验的好的标 的被广泛的研究。 c 1 5 b 型结构稀土金属间化合物 c l l 4 m ( m = i n ，a g ，a u ，p d 等) 具有一系 列引人注目的电子强关联物理现象，比如y b c l l 4 i i l 【1 。3 1 中的一级离子价态转移现象， y b c 叭g 中的k b n d o 晶格现象【3 】，以及y b c u 4 a 1 l 和y b c l l 4 p d 【4 ，5 1 的长程磁有序现 象等这些有趣的物理现象长期以来构成了凝聚态物理领域中的热点和前沿课题， 迄今为止学界对上述电子强关联物理现象已开展了大量的实验研究并提出了各类 扬州大学硕士学位论文 理论模型已有的研究表明这些电子强关联物理现象一般认为源于局域4 f 电子与 传导电子间的杂化相互作用，然而由于电子多体问题的复杂性，相关的统一理论 模型尚未建立起来目前大量的实验和理论工作方面的努力被放在稀土元素金属 间化合物的研究上面( 主要是含c e 和n 化合物) 由于在高压下具有c 1 5 b 型结构的y b c u 5 的发现【1 2 j ，因此y b c u 5 ；1 1 1 。固溶体系 有可能得以实现，这对于研究该体系的电子强关联物理现象具有十分重要的意义 所以作者对y b c u 5 x h l 。和y b c u 5 。a 体系的化合物做了一些结构和电磁性探索性 的研究，总文分以下几部分： 第一章：介绍了稀土金属间化合物的基本概念和结构特征，并重点讲述了两 类金属相问化合物：1 n c m i i l 的一级价态转移和y b c l l 4 a g 的近藤晶格和重费米子 行为，主要讲述了各自研究领域的重要位置，进而从宏观和微观实验测量上讲述 了两种稀土金属间化合物的结构性质以及独特的电磁性质。 第二章：介绍了y b c u 4 m 金属固溶体系电弧炉冶炼工艺的流程、退火流程， 以及多晶x 射线粉末衍射、扫描电子显微镜、超导量子干涉装置s q u i d 技术等常 规的样品结构、磁性以及电输运性能表征手段的工作原理。 第三章：主要从结构、磁性等方面介绍了y b c u 5 x i l l 。，实验得出) c u 5 x h 是 c 1 5 b 型结构，扫描电子显微镜显示样品的表面及横截面，其表面平整光滑纹理清 晰细致，内部结构连接正常：利用s q u i d 技术测量了样品y b c u 5 x i n x ( x = 0 2 ，0 4 ，0 6 ，o 8 ，1 ) 在4 2k 和3 0 0 k 之间的磁化强度与温度变化曲线，结果表 明y b c l l 4 i n 在4 0k 附近显示出明显的具有一级相变特征的y b 离子价态转移现象； 在1 5 0 k 以上) c u 5