在稀土金屬間化合物體系中,以稀土元素Yb或Ce等為基的化合物,無論在實驗方面還是理論方面都受到了人們特殊的關(guān)注,原因在于它們具有豐富的物理性質(zhì)比如金屬間價態(tài)轉(zhuǎn)移,稠密近藤效應(yīng),重費米子和超導性等等。大多數(shù)化合物特殊的物理行為主要和4f電子組態(tài)有關(guān),包括Yb的4f13、4f14和Ce的4f1、4f0,由于其失去外層電子,所以其電子組態(tài)變的不穩(wěn)定,這引起了一系列實驗上可以觀測到的電子和自旋漲落的物理現(xiàn)象。和這些漲落相聯(lián)系的是4f局域電子和離域的傳導電子之間的雜化。 因為4f電子波函數(shù)的空間擴展比較小(小于0.5 A),相鄰的磁性殼層也幾乎不重疊,在非磁性的母體中摻雜4f電子原子,低溫時f電子與傳導電子雜化而導致態(tài)密度急劇增大,同時,又因交換作用,f電子的自旋與周圍傳導電子的自旋方向相反,從而磁矩被部分抵消。當摻雜的磁性離子建立起完整的子格子時,所謂的近藤品格形成了。
近藤晶格效應(yīng)和稀薄近藤效應(yīng)在高溫時表現(xiàn)出顯著的相似性。因為近藤晶格中磁性離子之間的相互作用,形成近藤單態(tài)時的能量增益應(yīng)小于稀薄近藤效應(yīng)時的情況。這意味著在磁性原子間相互作用足夠強時,近藤單態(tài)不會形成。
稀土金屬間化合物體系特殊的物理性質(zhì)吸引了人們對其理論性質(zhì)和實驗性質(zhì)做出努力。第一個理論模型對稀薄磁性合金中其對數(shù)電阻率增加的物理機制的解釋始于1964年的近藤理論。該理論認為近藤效應(yīng)來源于局域磁性雜質(zhì)與金屬中傳導電子的交換作用,在一定溫度(近藤溫度)之下,交換作用產(chǎn)生的自旋翻轉(zhuǎn)散射使得傳導電子與局域磁矩形成自旋單態(tài),進而對局域磁矩產(chǎn)生屏蔽效應(yīng),導致了費米能級附近的所謂近藤共振。
近藤共振依賴于金屬費米面態(tài)密度以及磁性雜質(zhì)與傳導電子交換作用的強度。接著對稠密近藤體系的理論解釋比較成功的模型就是Coqblin-Scherieffer模型,這種模型包括軌道簡并的4f磁性離子摻雜,比如Ce(J=5/2)和Yb(J=7/2)的摻雜。然而,統(tǒng)一的對稀土體系和近藤問題聯(lián)系的價態(tài)漲落的解釋還沒有建立,原因在于該體系包括很多復雜的多體問題比如雜化,電子間關(guān)聯(lián),電子過濾和電子-光子耦合等。
在80年代晚期,以Yb金屬元素為基的系列二元或三元化合物YbCU5-xMx(M=In,Ag,Au,Pd,Al和Ga)被發(fā)現(xiàn),低溫下它們具有豐富的基態(tài)性質(zhì),包括混合價態(tài),近藤晶格,重費米子和反鐵磁有序。這種不同的基態(tài)現(xiàn)象源于4f電子和傳導s電子的相互作用(即Kondo相互作用)和RKKY相互作用兩種機制相互競爭的結(jié)果。為了解釋強關(guān)聯(lián)電子現(xiàn)象,三元體系YbCu5-xMx作為實驗的好的標的被廣泛的研究。
本論文回顧總結(jié)了已有關(guān)于稀土金屬間化合物體系的若干重要的研究成果和最新進展。利用真空電弧爐熔煉法合成了YbCu5-xInx體系金屬,并且對這個體系的結(jié)構(gòu)、磁性進行了了系統(tǒng)的研究,獲得了若干有價值的研究結(jié)果: 實驗得出的YbCu5-xInx是C15b型結(jié)構(gòu),掃描電子顯微鏡顯示樣品的表面及橫截面,其表面平整光滑紋理清晰細致,內(nèi)部結(jié)構(gòu)連接正常;利用SQUID技術(shù)測量了樣品YbCu5-xInx(x=0.2,0.4,0.6,0.8,1)在4.2 K和300K之間的磁化強度與溫度變化曲線,結(jié)果表明YbCu4In在40 K附近顯示出明顯的具有一級相變特征的Yb離子價態(tài)轉(zhuǎn)移現(xiàn)象;在150K以上YbCu5-xInx樣品顯示居里-外斯型(Curie-Weiss)型順磁行為,Yb離子為局域三價態(tài)(Yb3+,4f13,J=7/2,μeff=4.54μB)。以上內(nèi)容摘自 魯彥濤 碩士 關(guān)于 稀土金屬相間化合物的結(jié)構(gòu)及磁性的論述。
稀土元素的磁性:
常溫下稀土元素屬于順磁物質(zhì)(表現(xiàn)為磁力極?。?,低溫下,大多數(shù)稀土元素具有鐵磁性,尤其是中、重稀土的低溫鐵磁性更大,比如Gd,Tb,Dy,Ho,Er。
稀土元素的磁性來源于其未充滿的4f電子層,一般含有奇數(shù)個電子的原子或分子,電子未填滿殼層的原子或離子,如過渡元素、鋼系元素,還有鋁鉑等金屬,都屬于順磁物質(zhì)。順磁性物質(zhì)的主要特征是,不論外加磁場是否存在,原子內(nèi)部存在永久磁矩。但在無外加磁場時,由于順磁物質(zhì)的原子做無規(guī)則的熱振動,宏觀看來,沒有磁性;在外加磁場作用下,每個原子磁矩比較規(guī)則地取向,物質(zhì)顯示極弱的磁性。磁化強度與外磁場方向一致,而且嚴格地與外磁場H成正比。 順磁性物質(zhì)的磁性除了與磁場H有關(guān)外,還依賴于溫度。其磁化率與絕對溫度T成反比。 公式中,C稱為居里常數(shù),取決于順磁物質(zhì)的磁化強度和磁矩大小。 順磁性物質(zhì)的磁化率一般也很小,室溫下磁化率約為10負5次方。
低溫下,大多數(shù)稀土元素具有鐵磁性,表現(xiàn)為類似于諸如Fe、Co、Ni等物質(zhì),磁化率可達10^+3次方數(shù)量級。 鐵磁性物質(zhì)即使在較弱的磁場內(nèi),也可得到極高的磁化強度,而且當外磁場移去后,仍可保留極強的磁性。其磁化率為正值,但當外場增大時,由于磁化強度迅速達到飽和,其H變小。 鐵磁性物質(zhì)具有很強的磁性,主要起因于它們具有很強的內(nèi)部交換場。鐵磁物質(zhì)的交換能為正值,而且較大,使得相鄰原子的磁矩平行取向(相應(yīng)于穩(wěn)定狀態(tài)),在物質(zhì)內(nèi)部形成許多小區(qū)域——磁疇。每個磁疇大約有1015個原子。這些原子的磁矩沿同一方向排列,假設(shè)晶體內(nèi)部存在很強的稱為“分子場”的內(nèi)場,“分子場”足以使每個磁疇自動磁化達飽和狀態(tài)。這種自生的磁化強度叫自發(fā)磁化強度。由于它的存在,鐵磁物質(zhì)能在弱磁場下強列地磁化。因此自發(fā)磁化是鐵磁物質(zhì)的基本特征,也是鐵磁物質(zhì)和順磁物質(zhì)的區(qū)別所在。 鐵磁體的鐵磁性只在某一溫度以下才表現(xiàn)出來,超過這一溫度,由于物質(zhì)內(nèi)部熱騷動破壞電子自旋磁矩的平行取向,因而自發(fā)磁化強度變?yōu)?,鐵磁性消失。這一溫度稱為居里點 。在居里點以上,材料表現(xiàn)為強順磁性,其磁化率與溫度的關(guān)系服從居里——外斯定律。
那么 稀土金屬化合物有沒有磁性?
稀土與3d過渡族金屬Fe\Co\Ni等可形成3d-4f二元系化合物,它們大多具有較強的鐵磁性,是稀土永磁材料的主要組成相,例如SmCo5,Sm2Co17。再加入第三個或更多的元素,則可形成三元和多元化合物,有的也具有鐵磁性,如Nd2Fe14B,是釹鐵硼的基礎(chǔ)相。
常用的 稀土金屬化合物
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