部分填充方钴矿化合物的磁性机理研究

Filling varied rare-earth atoms into the skutterudites may change the electronic structure of the system, and therefore the magnetic and transport properties.The total magnetic moment and the critical temperature above which the magnetization disappears are usually influenced by filling fraction and the filler disordering which will modulate the band structure and the number of valence electrons. Investigating the influences of the various interaction in the system may gain a clearer understanding of the magnetism in partially filled skutterudites. Beginning with the Eu-filled skutterudite EuyCo4Sb12 which shows a typical ferromagnetic behavior, the electronic structure, the interaction between the conduction electrons and the local spins of Eu ions will be investigated. The first-principles calculation and the interaction Hamiltonian model will be used in our investigations. The magnetic moment, magnetic susceptibility and other magnetic quantities will be calculated with changing the temperature and the magnetic field. The influences of the filling fraction and the filler disordering on the magnetic properties will be studied. Further investigations on other rare-earth filled skutterudites will be carried out to explore the magnetism in the partially filled skutterudites.

在方钴矿化合物的晶格孔洞中填入稀土元素，形成填充方钴矿材料。填充元素的不同会改变体系的电子结构，进而影响其磁性质和输运性质。当形成部分填充方钴矿化合物时，填充量的不同以及填充位置的无序能调节体系的能带结构和价电子数，对总磁矩和磁转变临界温度都产生影响。从理论上研究部分填充方钴矿化合物中各种微观相互作用对体系磁性质的影响，有助于探明其中的磁性机理。本项目从典型的磁性Eu填充方钴矿体系EuyCo4Sb12着手，结合第一性原理和模型Hamiltonian两种方法，从其电子结构的特点出发，对照已有实验结果，对体系中各种相互作用、温度、外磁场等因素进行分析，计算磁矩、磁化率等磁学物理量，研究填充量以及填充位置无序的程度对体系磁矩和磁转变临界温度的影响，探索其中磁有序的起源，并进一步推广到其它稀土填充方钴矿化合物,加深对这类材料基本物理性质的认识。

在方钴矿化合物的晶格孔洞中填入稀土元素，形成填充方钴矿材料。填充元素的不同会改变体系的电子结构，进而影响其磁性质和输运性质。当形成部分填充方钴矿化合物时，填充量的不同以及填充位置的无序能调节体系的能带结构和价电子数，对总磁矩和磁转变临界温度都产生影响。从理论上研究部分填充方钴矿化合物中各种微观相互作用对体系磁性质的影响，有助于探明其中的磁性机理，加深对这类材料基本物理性质的认识。本项目对典型的磁性Eu填充方钴矿体系EuyCo4Sb12进行研究，主要研究内容及其结果如下：（1）建立了模型Hamiltonian，采用平均场近似，数值计算并系统地分析了温度、外磁场等因素对磁矩、比热、磁熵的影响。（2）分析了填充量的改变对磁矩以及磁转变临界温度的影响。（3）探讨了填充原子无序占位与自旋涨落间的相互作用对磁化曲线和磁比热的影响，这些现象有助于探测体系中无序的存在。. 熵参量随温度和磁场的改变可以很好地用来分析系统的物理性质以及量子相变。为了更好地理解各种相互作用对系统的磁有序和量子临界性质的影响，作为研究内容的拓展，我们利用格林函数方法，对一些典型的化合物模型分别进行了研究。在四聚化单链模型中，发现一种三自旋耦合作用能够引起自旋阻挫从而破坏磁有序，导致新相的出现。各种量子相和临界性质可以很好地用熵参量描述。提出了周期性Anderson-like模型，由磁化强度对磁场的依赖性，发现体系在均匀态、二聚化态和四聚化态之间转变。提出了自旋单态重组的机制来解释磁化平台和量子相变。另外，磁熵随温度和磁场的改变表现出显著的逆磁热效应。并且二聚化越强，逆磁热效应越大，为设计用于低场条件下磁制冷设备中的反铁磁制冷材料提供了依据。发现在强Kondo关联情况下，磁熵变化曲线呈现双峰结构，反映了退磁过程的双重磁冷却行为，为研究磁相变提供了新的热力学手段。应用格林函数法探索了位移型有机铁电体中关于铁电-顺电转变的电热效应的本质特征。分析了弹性系数和自旋-晶格耦合系数对电热效应，极化强度和转变温度 的影响，为设计具有大电热效应的电制冷工质提供了新的候选材料。