魏義永，訾振發(fā)，馬小航

合肥師范學(xué)院，合肥，230601

1 問(wèn)題的提出

純Cr是一種具有非公度的自旋密度波(SDW)型的反鐵磁金屬[1]。以Cr為基礎(chǔ)的體心立方結(jié)構(gòu)三元合金顯示巨磁阻效應(yīng)[2-3]。由于溫度和成分的改變出現(xiàn)了不同的磁相變，根據(jù)磁相圖[4-5]，Cr-Fe-Mn合金從低溫到高溫經(jīng)歷自旋玻璃凍結(jié)狀態(tài)(SG)、鐵磁相(FM)、反鐵磁相(AFM)和順磁相(PM)。當(dāng)反鐵磁性雜質(zhì)錳摻入時(shí)，費(fèi)米面被調(diào)制，非公度的SDW轉(zhuǎn)變成公度的SDW，同時(shí)提高TN，增強(qiáng)AFM耦合。當(dāng)鐵磁性雜質(zhì)鐵摻入時(shí)，降低TN，出現(xiàn)局域FM相變，從而引起豐富的磁現(xiàn)象，這一過(guò)程引起學(xué)者的研究興趣[6-9]。Cr-Fe-Mn合金不是磁單相[5-10,11]，而是通過(guò)穆斯堡爾譜和磁測(cè)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到。合金在TN以上雖呈PM，但其中某些磁耦合的團(tuán)簇已存在。合金在溫度低于TN以下SDW、AFM有序開始形成，但部分PM仍被保持。隨著溫度的下降，PM部分逐漸轉(zhuǎn)變成鐵磁耦合；但AFM則一直保留下來(lái)。當(dāng)溫度降到居里溫度TC時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入AFM與FM共存的狀態(tài)；最后，當(dāng)溫度降到更低溫度Tf時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入SG。

一般合金的熱導(dǎo)率主要是電子熱導(dǎo)率κe與聲子熱導(dǎo)率κg之和，即κ=κe+κg。對(duì)磁性材料，磁矩按一定的規(guī)則排列成點(diǎn)陣，形成自旋波或磁子，它們之間的協(xié)同作用既是一種新的導(dǎo)熱機(jī)制，又是電子導(dǎo)熱和聲子導(dǎo)熱的阻力機(jī)制[12]。磁對(duì)熱導(dǎo)率的影響一般在較低的溫度下可以觀察到，如在MnF2、CoFe[13]磁性材料中，磁性引起熱導(dǎo)率-溫度曲線斜率的變化，這些變化都與磁子和聲子相互作用有關(guān)。對(duì)Cr-Fe-Mn合金的磁性質(zhì)和電輸運(yùn)性質(zhì)報(bào)道很多[14-15]，而對(duì)其熱輸運(yùn)的性質(zhì)報(bào)道很少[16]，本文報(bào)道SDW材料Cr80-xFexMn20(x=20,25)合金在10～300 K范圍的磁性和輸運(yùn)性質(zhì)，研究這種體系中磁性相關(guān)散射對(duì)熱輸運(yùn)性質(zhì)的影響。

2 材料和方法

高溫熔融制備Cr80-xFexMn20(x=20,25)樣品。按照名義配比，稱量一定質(zhì)量的純Fe錠、純Cr片以及純Mn塊，放進(jìn)中頻真空感應(yīng)爐(Balzers公司)中熔融。然后在1 100℃退火180 h，隨爐冷卻。最后再切割成長(zhǎng)16 mm，橫截面積1.5 mm×1.0 mm的細(xì)桿形狀，再在1 100℃退火4 h，冰水淬火。利用X射線衍射(XRD)表征樣品的結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明，樣品均為體心立方結(jié)構(gòu)的固熔體。

采用縱向穩(wěn)態(tài)熱流法測(cè)量熱導(dǎo)率。溫度可控的恒溫塊與樣品的一端充分熱接觸，用Rh-Fe溫度計(jì)測(cè)量恒溫塊溫度，用鎳鉻-康銅熱電偶測(cè)定樣品上的溫差。一個(gè)薄片電阻被粘貼在樣品另一端作為加熱器，加熱功率為Q=I×U(I,U為加熱電流與電壓)。在穩(wěn)態(tài)情況下記錄,Q在截面積為S的樣品上相距為l的兩處產(chǎn)生的溫差ΔT,則樣品的熱導(dǎo)率為:

(1)

3 結(jié)果和討論

3.1 磁化強(qiáng)度

圖1 Cr80-xFexMn20(x=20，25)合金在100 G外場(chǎng)下 FC和ZFC的磁化強(qiáng)度隨溫度變化曲線 (dM/dT-T曲線)

Cr80-xFexMn20(x=20，25)兩個(gè)合金在100 G外場(chǎng)下,場(chǎng)冷(FC)和零場(chǎng)冷(ZFC)的磁化強(qiáng)度隨溫度變化曲線如圖1所示。兩合金的MZFC(T)和MFC(T)曲線在室溫附近部分完全相同。利用PM測(cè)量的數(shù)據(jù)，獲得磁化率倒數(shù)隨溫度變化曲線如圖2所示。在相對(duì)高的溫度下，兩個(gè)樣品的磁化率顯示偏離了居里-外斯定律行為[χm-1=C/(T-θ)]，該曲線明顯展示了不同的順磁居里溫度θ，見(jiàn)表1。一般來(lái)說(shuō)，θ代表無(wú)序系統(tǒng)所有交換作用總和[17]。隨著溫度降低，兩個(gè)合金的MZFC(T)和MFC(T)都逐漸增加，當(dāng)降到居里溫度TC(TC從dM/dT-T圖上獲得)附近時(shí)，顯著增加，表明這些樣品經(jīng)歷了從PM到FM的相變。隨著溫度繼續(xù)降低，MZFC(T)和MFC(T)曲線在TB溫度以下開始逐漸分叉，MZFC(T)連續(xù)減小，表明系統(tǒng)中存在鐵磁團(tuán)簇，并且在定義自旋凍結(jié)溫度Tf處顯示尖端結(jié)構(gòu)，在Tf以下，MZFC(T)迅速減小，而MFC(T)變化不大，這反映了系統(tǒng)可能進(jìn)入SG。在室溫附近，兩個(gè)系列合金的和MFC(T)曲線完全相同。而低溫下，隨著化學(xué)計(jì)量比Fe濃度的增加，兩個(gè)樣品的居里溫度TC和TB提高，并且MZFC(T)的肩形逐漸變寬。結(jié)果表明在Mn不變情況下，兩個(gè)合金的鐵磁性隨著Fe增加而增強(qiáng)。兩樣品磁化強(qiáng)度測(cè)量獲得的重要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 關(guān)于Cr80-xFexMn20(x=20，25)合金的磁和電輸運(yùn)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖2 Cr80-xFexMn20(x=20,25)合金磁化率 的倒數(shù)隨溫度變化曲線

從這些曲線能夠區(qū)別以下幾個(gè)特征和四個(gè)關(guān)鍵溫度：在順磁居里溫度θ處，兩個(gè)樣品的磁化率顯示偏離了居里-外斯定律行為，這可能是因?yàn)樵陧槾疟尘爸行纬啥坛惕F磁團(tuán)簇[17]。θ的數(shù)值隨著Fe化學(xué)配比增加而增加，局域鐵磁增強(qiáng)；表1顯示，隨著Fe成分增加，居里溫度TC和TB均提高，反映了材料中Fe的增加能夠增強(qiáng)鐵磁性質(zhì)；在Tf處，MZFC(T)曲線顯示尖端結(jié)構(gòu)在Cr80-xFe20Mnx(x=10,15)[18]也觀察到了，表明了SG相變。通過(guò)交流磁化率測(cè)量將能進(jìn)一步確認(rèn)兩個(gè)樣品中SG存在。

3.2 電阻率

圖3給出Cr80-xFexMn20(x=20,25) 合金歸一到300 K的電阻率～溫度曲線。從圖3看出，兩樣品給出相似的電輸運(yùn)行為。室溫附近，兩樣品的電阻率相差不大；隨著溫度降低，開始階段兩個(gè)樣品電阻率基本一致地單調(diào)減小，在高溫端的順磁相中，合金的ρ-T關(guān)系為金屬行為，表現(xiàn)金屬性；隨著溫度的下降,在定義溫度TN[1]附近，每條曲線上都有極小值；在低于極小值對(duì)應(yīng)溫度以下的中間溫區(qū)，隨著Fe摻雜濃度的提高,電阻率被壓制，奈爾溫度TN向低溫端移動(dòng)，而居里溫度TC向高溫端移動(dòng)；更低溫度下，電阻值出現(xiàn)飽和。兩樣品電阻率測(cè)量獲得的重要參數(shù)見(jiàn)表1。

圖3 Cr80-xFexMn20(x=20,25) 合金歸一到300 K的電阻率-溫度曲線

值得注意是，在電阻曲線上，在居里溫度TC附近沒(méi)有出現(xiàn)明顯的反常，而在TC以上相對(duì)高溫度Tρ處有變化。Tρ接近θ，表明在Tρ附近鐵磁團(tuán)簇開始形成。與鐵磁團(tuán)簇相關(guān)的散射引起Tρ附近電阻率改變。在奈爾溫度TN附近，x=20樣品的電阻率出現(xiàn)上升，且x=25樣品的電阻率出現(xiàn)上升趨勢(shì)，這是由于樣品在該溫度附近發(fā)生SDW AFM相變[19]，出現(xiàn)電子-空穴對(duì)的凝聚，AFM能隙逐漸打開，引起可導(dǎo)電費(fèi)米面和有效傳導(dǎo)電子數(shù)都減少[1]，因此出現(xiàn)電阻率上升或上升趨勢(shì)。在Tρ以下，電阻率飽和可能與SG相變有關(guān)。

在本文系統(tǒng)中，F(xiàn)M和AFM之間的共存和競(jìng)爭(zhēng)是磁受挫的起因。磁化強(qiáng)度和電阻率的變化表明鐵磁團(tuán)簇鑲嵌在反鐵磁背景中。隨著溫度降低，鐵磁相互作用的強(qiáng)度增大，F(xiàn)M和AFM有序的競(jìng)爭(zhēng)加強(qiáng)，以致系統(tǒng)中磁受挫隨著溫度降低而逐漸增強(qiáng)。隨著溫度進(jìn)一步降低，當(dāng)磁受挫足夠強(qiáng)時(shí)，合金在較低溫度下進(jìn)入SG。

3.3 熱導(dǎo)率

圖4 Cr80-xFexMn20(x=20,25) 合金 在15-300 K溫度范圍內(nèi)的熱導(dǎo)率-溫度曲線

Cr80-xFexMn20(x=20,25)合金熱導(dǎo)率與溫度的關(guān)系測(cè)量結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，兩個(gè)樣品給出相似的熱輸運(yùn)行為，熱導(dǎo)率在奈爾溫度TN以上趨于飽和；在TN以下隨著溫度的降低單調(diào)地減??；在更低的溫度下出現(xiàn)了熱導(dǎo)峰。隨著Fe成分的增加，Cr80-xFexMn20(x=20,25)樣品熱導(dǎo)率的絕對(duì)值增加，熱導(dǎo)峰變明顯，熱導(dǎo)峰對(duì)應(yīng)的溫度基本不變。

關(guān)于熱導(dǎo)的測(cè)量結(jié)果，以下分三個(gè)溫區(qū)分別討論：在電阻率極小值對(duì)應(yīng)奈爾溫度TN附近，熱導(dǎo)率-溫度曲線斜率明顯改變，主要因?yàn)殡娮訉?duì)熱導(dǎo)的貢獻(xiàn)，與兩個(gè)樣品經(jīng)歷PM到AFM的轉(zhuǎn)變過(guò)程中能隙的打開而導(dǎo)致有效傳導(dǎo)電子數(shù)減少有關(guān)；TN以下中間很寬溫區(qū)，ρ(T)變大，k(T)反常壓低，這一點(diǎn)來(lái)自磁性相關(guān)的散射。在TN附近，兩個(gè)樣品經(jīng)歷PM到AFM相變，形成AFM為背景。隨著溫度降低，開始形成鐵磁團(tuán)簇，這些鐵磁團(tuán)簇鑲嵌在長(zhǎng)程有序AFM背景中。隨著溫度進(jìn)一步降低，鐵磁團(tuán)簇增強(qiáng)，破壞反鐵磁背景，F(xiàn)M和AFM之間相互作用的競(jìng)爭(zhēng)增加磁無(wú)序程度，帶來(lái)更多磁性相關(guān)的散射，引起ρ(T)變大，k(T)反常壓低，表現(xiàn)出與無(wú)序樣品或者玻璃態(tài)樣品類似的熱導(dǎo)溫度關(guān)系；更低溫度下，兩個(gè)樣品在25 K附近都觀察到熱導(dǎo)峰，此峰可以用德拜近似聲子譜來(lái)模擬，結(jié)果暗示此峰是聲子熱導(dǎo)峰，是邊界散射和U過(guò)程競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。磁無(wú)序是進(jìn)入SG前提。當(dāng)溫度進(jìn)一步降低，F(xiàn)M增強(qiáng)，它和AFM之間共存和競(jìng)爭(zhēng)，磁相互作用會(huì)出現(xiàn)受挫，最后使系統(tǒng)進(jìn)入SG。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入SG，自旋凍結(jié)就會(huì)出現(xiàn)，磁散射削弱對(duì)熱導(dǎo)率κ壓制，在更低溫度下，邊界散射占主導(dǎo)，和U過(guò)程競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果出現(xiàn)了聲子熱導(dǎo)峰。

4 結(jié) 論

在TN附近觀察到熱導(dǎo)率-溫度曲線斜率的改變和電阻率極小值，這與SDW AFM轉(zhuǎn)變過(guò)程中能隙的打開有關(guān)。在TN以下中間溫區(qū)，合金中開始形成AFM有序，隨著溫度下降，PM的一部分逐漸轉(zhuǎn)變成鐵磁耦合。與磁性相關(guān)的散射，導(dǎo)致熱導(dǎo)反常壓低，表現(xiàn)出與玻璃態(tài)樣品或者無(wú)序樣品類似的熱導(dǎo)率-溫度關(guān)系。FM和AFM之間相互作用的競(jìng)爭(zhēng)和共存，導(dǎo)致系統(tǒng)在更低溫度下進(jìn)入SG，磁散射減弱對(duì)熱導(dǎo)率壓制，低溫出現(xiàn)聲子熱導(dǎo)峰。