钙替代锶对钌氧化物磁学性质的影响

摘要:研究了钙替代锶对钌氧化物磁学性质的影响,利用CurieWeiss定律确定了样品的Weiss温度Tp利用交流磁化率随温度变化的关系确定样品的Curie温度Tc. 测量了各温度下的磁滞回线得到了样品的矫顽力.利用趋近饱和定律计算了样品的饱和磁矩.研究了Weiss温度.Curie温度、矫顽力和磁化强度随钙替代量的变化规律.

关键词:磁化强度;矫顽力;磁化率;相变温度;钉氧化物

 

文献[1~5]报道SrRuO3的Curie温度分布在125~167K之间，而CaRuO3即使温度降到1.7K也不显示磁有序,但具有大的负Weiss温度(- - 150 K)6-8;文献[ 9]报道,对0< x<0.5的Sr-xCaxRuO3样品，有效磁矩随x的增加而略有减小;而文献[10]报道对所有样品(0≤x≤1)有效磁矩(和Curie常数)基本不变.在30T磁场下, Sr- CaxRuO3样品均未达到理论上的饱和值2 Pp/ Rud9,同样小于顺磁态得到的有效矩,此现象支持Sn-xCaxRuO3是巡游铁磁体的观点.另据文献[ 10] 报道,对x=0~0.7的样品在4.2K计算到的饱和磁矩和44T磁场下的磁矩为2Pp/Ru,接近理论饱和值,与巡游磁体的性质不符.对Sn-xCaxRuO3的输运性质研究,例如Hall系数随温度正负号改变,磁电阻效应金属导电性向绝缘体导电性的转变等未见合理的解释.

综上所述,有必要研究钙替代对晶体结构.输运性质、比热以及磁学性质的影响.研究钙替代量较小

情况下，磁有序状态下的磁学性质的变化以及钙替代量较大的情况下，长程磁有序(铁磁或反铁磁).短程磁有序(自旋玻璃态)以及磁无序(顺磁或交换加强的顺磁态)存在的可能性和变化趋势.

1磁化强度

图1给出了不同Sr- rCaxRuO3样品(x=0,0.2.0.4, 0.6,0.8和1.0)在557kA/m磁场下的FC磁化强度随温度的变化曲线.可见.随x的增大,FC磁化强度和居里温度单调降低.各样品的饱和磁化强度可以利用趋近饱和定律确定

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式中:Ms为饱和磁化强度;a和b为与材料本身有关的常数;XH是高场顺磁对磁矩的贡献.利用(1)拟合各样品的M--H实验曲线得到饱和磁矩.各样品的饱和磁矩随x的变化关系见图2(有效磁矩由高温下的磁化率拟合得到;饱和磁化强度由低温下的M--H曲线拟合得到).x=0时的样品(SrRuO3)的磁化强度最大,但仅为1g/ Ru,其他钙替代的样品磁化强度更小.当x= 0.8或1.0时，饱和磁矩几乎为0. SrRuO3的磁矩为1 4B/Ru,这与文献[9]报道的结果相- - 致,而且SrRuO3的磁矩随x的增加而减小;但文献[ 10]报道SrRuO3的磁矩接近2Hp/Ru,与Ru低自旋s= 1态计算得到的理论值相当.该文献也给出了钙替代的样品的磁矩它们几乎不随钙替代的变化而变化.产生如此大的差别,固然与所加的磁场不同有关,例如图2的最大场为9T,文献[9]的为30T,文献..[10]的为44T，似乎所得到的饱和磁矩不同是外场不同导致的结果.实际上。得到的饱和磁化强度不

同是计算方法不同的直接结果.文献[9与笔者研究的方法大致相同，计算饱和磁矩时，将磁化强度随外场的变化分成2部分，一部分是与交换耦合有关的自发磁化强度，另- -部分是高场下的顺磁项,见

(1),由此得到的磁矩是自发礅矩.而文献[10]是直接将磁矩随磁场的变化外推到磁场为无穷大得到饱

和磁矩,或直接给出特别大磁场(44T)下的磁矩.这样,造成结果的不- -致便可得到解释.例如，文

献[9]和笔者研究的饱和磁矩均小于理论计算值，是巡游磁体性质的直接表现即在高场下仍有很:大的顺磁项.随x的增加,饱和磁矩减小则是因为钙的替代导致晶格更大的畸变,交换相互作用减弱,导致自发磁矩减小.与此同时，居里温度随之降低.而对文献[ 10]的方法将顺磁项与自发磁矩一起考虑所得到的饱和磁矩大于自发磁矩.对于局域磁体而言,这样得到的饱和磁矩与自发磁矩相差不大有时候不加严格区分.但对巡游磁体,二者差别很大,原因是高场大的顺磁项以及所加的超大磁场.将顺磁项与自发磁矩一起考虑得到的饱和磁矩应该是材料的固有磁矩.不管是顺磁还是 铁磁的Sr-,Car Ru03,得到的结果将与磁性原子的固有礅矩相-致.文献[10]的结果正好证实了这一点,即饱和磁矩与计算得到的Ru的磁矩--致且不随钙替代量而变化.此结果与巡游磁体的性质并不矛盾.

图3为由各样品在不同温度下的磁滞回线得到的样品的矫顽力(内插图Sn-CaxRuO3在5K时的矫顽力随x的变化).不论SrRuO3还是x≠0的Srl-x Cax RuO3样品，均表现出较大的磁滞，其原因与该系列具有较大的磁晶各向异性有关川.根据单粒子磁晶各向异性模型Ru原子较大的轨道磁矩与自旋磁矩合,导致了该系列化合物具有较大的磁晶各向异性.由图3可以看出SrRuO3的矫顽力在低温下随温度的升高没有明显的降低直到100K矫顽力显著下降.其他有钙替代的样品的矫顽力随温度升

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高而单调下降.矫顽力随温度的升高而降低的原因有2个:一个是样品本征的各向异性随温度的变化;

另一个是非零温度下的热激发的影响.低温(5K)下矫顽力随钙替代量的变化如图3的内插图所示，可

见x=0.4时矫顽力最大(955kA/m),这与文献[9,12]报道的关于单晶Sr-xCaxRu03的矫顽力的结果不同.尽管影响矫顽力因素很多,它并不是材料的本征性质,但低温矫顽力的大小是样品磁晶各向异性的直接体现在其他条件相同的情况下，低温矫顽力越大磁晶各向异性也越大.笔者所研究的Sr-xCaxRu03系列样品，其制备条件.晶粒尺寸与形状都完全相同，晶体结构与晶格常数也非常相近. 有理由相信,Sr-xCaxRuO3系列的磁晶各向异性随x的增加而增加;当x为0.6左右时，达到最大;随r的进一步增加，磁晶各向异性减小.

2交流磁化率

图4是Sr1-xCaxRuO3在零偏磁场下交流磁化率随温度的变化.显然在温度远低于或远高于Tc时，磁化率都非常小,在Tc附近出现尖锐峰.由此峰的位置可大致确定样品的铁磁Curie温度结果示于图5.在非常低的温度下磁化率低是因为低温下样品的磁晶各向异性大,磁畴向外场方向转动困难.在Tc附近各向异性几乎为0,很小的磁场即可使磁矩转向外磁场方向,所以磁化率出现极大值.高于Tc后，材料处于顺磁状态显然具有低的顺磁磁化率.

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在顺磁态测量各样品的磁化率随温度的变化规律,利用Curie-Weiss定律确定Weiss 温度和有效磁

矩.图6为各样品的磁化率倒数随温度的变化关系，由此得到顺磁Weiss温度Tp, 结果如图5所示. Tp

随钙替代量的增加而减小.当x≤0.6时，Tp 为正值;但当>0.6时，Tp变为负值. Sra 2Cau sRuO3和

CaRuO3的Tp分别为-57K和一153 K.得到的有二效磁矩随钙替代量的变化见图2.

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3结论

研究了Sn- xCaxRuO3的性质及其随钙替代量的变化，主要结果有:

1)根据Curie-Weiss定律确定了样品的Weiss温度TP,由交流磁化率随温度变化的关系确定了样品的Curie温度Tc. 结果表明，随x的增加，Tp和Tc单调减小.当x≤0.6时Tp>0;当x>0.6时

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