论文导读:：导致了材料在低温下具有六重简并的“两进两出”自旋冰基态[5]。并测量了不同条件下得到的样品的热导率。
论文关键词：自旋冰，热导率
1引言
阻挫磁性材料是凝聚态物理研究领域的一个重要分支，其中自旋的几何阻挫，即由晶体结构的几何对称性造成的阻挫尤其引人注目[1]。由于阻挫效应的存在，使得自旋之间的相互作用互不相容，导致了基态的宏观简并，展现出丰富的量子磁性行为[2]。三维烧绿石结构的稀土过渡金属氧化物R2Ti2O7 (R = Dy, Ho) 是一种典型的几何阻挫磁性材料，其空间群是  [3]，强的晶体场效应使得正四面体顶点的磁性离子只能沿着晶体轴[111] 方向成Ising模型排列[4]。在这类材料中热导率，由于阻挫效应的存在，自旋与自旋之间的近邻反铁磁相互作用和长程铁磁的磁偶极相互作用之间相互竞争，导致了材料在低温下具有六重简并的“两进两出”自旋冰基态[5]。另外，外加不同方向的磁场会不同程度地解除简并，表现出丰富的磁相变行为[6]。
目前对该自旋阻挫材料的实验探究多是利用中子散射、低温比热、磁化率等测量方法来研究自旋的各向异性、自旋关联、元激发谱和磁相变等性质[7-10]。热传导是固体材料的基本物性之一，它的贡献不仅来自声子，还可以来自其它量子态的元激发[11-13]，因此热传导是研究绝缘材料输运性质强有力的手段。但是这种自旋冰材料的热输运行为或基态自旋涨落对热传导的影响人们知道的很少。因此在本文中我们研究了这类自旋冰材料的低温热传导行为免费论文下载。
开展这方面的工作需要有高品质的单晶作为保证。目前一些实验小组已经做过单晶生长的工作，包括使用助溶剂方法[14]和光学浮区法[15-17]，但是得到的单晶品质还有待提高。本文对R2Ti2O7 (R = Dy, Ho) 这类材料的单晶生长方法和条件进行细致的探索，并获得了更高品质的单晶。之后我们利用得到的高品质单晶研究了该材料的磁化率、比热以及热传导等性质。热传导结果显示该材料具有较小的声子峰，这很可能是源自于强的几何阻挫效应使得自旋涨落对声子具有较强的散射。值得注意的是，我们观察到不同的退火条件会影响该材料的氧含量，为进一步研究氧含量对声子峰的影响，我们对单晶进行了退火处理，并测量了不同条件下得到的样品的热导率。发现不同退火条件对声子峰的影响是较小的。
2实验
我们利用光学浮区法在高压的氧气环境中生长出了高品质的单晶。利用劳厄背反射照相确定R2Ti2O7 (R = Dy, Ho) 晶体的晶轴方向，并将样品切割打磨成适合测量的尺寸。单晶的磁化率是利用超导量子干涉仪 (SQUID) 和SQUID-VSM 测量的。比热是用热弛豫法在综合物性测量系统 (PPMS热导率，Quantum Design) 上面测量的，测量的温度范围是0.4 K到10 K。另外，我们还采用 “一个加热器和一个热电偶”的稳态测量法在4He制冷机上分别测量了热流J沿着 [110]，[111] 方向样品的热导率，测量温区为4~150 K。
3R2Ti2O7 (R = Dy, Ho) 单晶生长条件
原料棒和籽晶棒的制备：首先把纯度为99.99% 的R2O3和纯度为99.99%的TiO2在800℃ 的温度下干燥，按名义化学组分的比例混合研磨后，放入Al2O3坩埚中在1250℃ 的条件下煅烧24 h，取出研磨，重复几次，直到多晶粉的X射线衍射结果显示单相性。将已是单相的多晶粉做成直径7 mm的圆柱状，并在30 MPa的净水压下压成高密度的多晶棒，然后放进高温烧结炉中在1350℃ 的温度下烧结12 h，得到可用于浮区法生长的原料棒和籽晶棒。
单晶的生长：以Dy2Ti2O7的生长为例。我们采用的是CrystalSystem Corporation生产的四椭球镜面浮区炉，加热系统为四个1000W的卤素灯。首次生长条件采用0.2 MPa的过压氧气气氛，以2 mm/h的速度生长。得到了如图1所示完整的单晶，其颜色成琥珀色，表面很光亮热导率，可以看到有明显的晶面。但是在单晶上端出现一些明显的裂纹，说明单晶的品质不是很好免费论文下载。
图1在0.2 Mpa的氧气中以2 mm/h的速度生长的Dy2Ti2O7单晶照片
为了提高单晶的品质，我们在保持其它生长条件不变的情况下，将氧气压力从0.2 MPa升高到0.3 MPa，但是在生长长度大约为60 mm的时候发现浮区开始变细，之后就断掉了。取出单晶后发现其上端的颜色较浅，这可能与单晶生长过程中元素的沉积速度不一样有关。因此我们对单晶的生长速度进行了优化，发现生长速度确实对晶体的生长有很显著的影响。当生长速度为4 mm/h时，可以得到如图2所示长度为12 cm的完整的单晶，从表面上可以看出单晶的整体成深琥珀色，表面很光亮，而且有非常完整的晶面。可以初步判断样品的品质提高了很多。经过对气氛和生长速度等条件的多次尝试，我们所得到的Dy2Ti2O7单晶比较理想的生长条件是：0.3MPa氧气气氛，4 mm/h生长速度。尽管我们所得到的生长条件与Tang 等人[17]所报道的 (0.3 MPa，4.5 mm/h) 很接近，但是我们的单晶品质有了很大的提高，这可能是由于在晶体生长过程中一些细节也是很重要的热导率，包括多晶粉的单相性、原料棒的制备条件等。另外我们也尝试用Dy2Ti2O7单晶的生长条件生长了Ho2Ti2O7单晶，也得到品质很高的单晶，如图3所示。
图2在0.3 MPa的氧气中以4 mm/h的速度生长的Dy2Ti2O7单晶照片
图3在0.3 MPa的氧气中以4 mm/h的速度生长的Ho2Ti2O7单晶照片
我们将生长出来的Dy2Ti2O7单晶在900℃ 常压氧气流中退火，以消除应力，同时调整样品内部的氧含量。如图4所示，退火后的单晶呈现出均匀透明的浅琥珀色，这种颜色深浅的变化可能和样品中的氧含量变化有关。为了验证我们的判断，我们从中取三块大小尺寸一致的单晶，其中两块分别放在压力为4 atm的氧气和常压的氩气中退火，另外一块作为比较。发现在4 atm氧气中退火的样品颜色明显变深，而氩气中退火的样品颜色变得更浅。那么理论上经4 atm氧气退火的单晶氧含量最大，氩气中退火的氧含量最小，而常压氧气中退火的样品氧含量介于两者之间。说明单晶颜色的变化的确和样品中的氧含量变化有关。
图4在常压的氧气中900℃ 退火的Dy2Ti2O7单晶照片
对单晶结构的表征我们主要运用X射线劳厄照相法和X射线衍射方法。首先将生长出来的单晶磨成粉做了X射线粉末衍射，衍射结果显示生长出来的Dy2Ti2O7单晶是无杂相的。然后从单晶棒上截取一段约6 mm长的圆柱状单晶，对其进行劳厄照相分析，照片上的斑点清晰，没有杂点和多套斑点出现。之后我们又通过单晶X射线衍射和摇摆曲线进一步确认单晶的品质热导率，图5是 (hh0) 晶面系的衍射峰，单晶 [440] 峰摇摆曲线半高宽约为0.11°，可以看出单晶具有很好的品质。
图5 (a)Dy2Ti2O7 单晶 (440) 峰的X射线摇摆曲线(b) 该样品 (hh0) 多级衍射图
从以上的实验结果可以看出，我们的单晶形貌非常好，而且单晶棒的粗细均匀，颜色通透，比先前小组[15-17]的工作有明显的提高免费论文下载。另外单晶的摇摆曲线结果显示出窄的半高宽，进一步说明我们生长出来的单晶品质很高。基于高品质的单晶，我们对Dy2Ti2O7的磁性质、比热、热传导及Ho2Ti2O7的热传导行为进行了细致的研究。
4R2Ti2O7 (R = Dy, Ho) 单晶的低温物性
(一)Dy2Ti2O7单晶的磁性质
我们分别测量了磁场沿着三个特征方向 [111]，[110] 和 [100] 的磁化强度随温度的变化，如图6 (a) 所示，在0.1 T的磁场中，磁化率与温度的关系表现出明显的顺磁性。图6 (b)显示的是2 K时磁场沿着三个特征方向的磁化曲线，可以看出在1 T以下三个方向的磁化率随着磁场的增加急剧的增加，在大约1 T 时达到饱和，其中 [100] 和 [110] 方向的饱和磁化率分别为6.5 /Dy，4.5/Dy。对于磁场沿着 [111] 方向热导率，在大约0.5 T时磁化率已经达到了3.3/Dy，进入了Kagomé冰态[18]。这个时候四面体的三个自旋沿着磁场方向，另一个自旋与磁场方向相反，系统存在最大的塞曼能。当磁场增加到足以克服自旋之间的相互作用时，原来与磁场方向相反的自旋发生翻转，打破冰规则，自旋形成三进一出或者三出一进的排列，这时达到饱和磁化率5.2/Dy。另外从实验数据可以看出，三个方向的磁矩都小于自由的Dy3+ (10/Dy) 的磁矩，这是由于自旋冰材料中R3+的磁矩具有沿着局域的 [111] 方向Ising各向异性。我们得到的实验数据和理论计算结果基本符合[9]，在数值上的偏差可能主要来自于退磁因子的差别。
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