强磁场下钴基自旋链状化合物的晶体生长及物性研究

Material fabrication under high-magnetic-field is an important application area of the high-magnetic-field sciences. The Co-based spin-chain compounds exhibit a series of interesting physical properties due to its special crystal structure, such as electrical transport, magnetism, ferroelectric, and thermoelectric properties, and so on. So the series materials have been attracted much attention in both basic research and potential future application fields. In this proposal, we prepare to grow some Co-based spin-chain compounds (such as Ca3Co2O6) under high-magnetic-field, and try to control the crystal morphology and structure through high-magnetic-field tuning on nucleation and growth process. In addition, we also try to simulate the crystal growth under high-magnetic-field using a Monte Carlo simulation method and establish a theoretical model to describe the progress. To open out the mechanism of the effect of high-magnetic-field on electronic structure, spin arrangement, various interaction between different magnetic Co ions, we plan to carefully study the effect of high-magnetic-field on the electrical transport, spin characteristic, thermoelectric and ferroelectric properties for the obtained crystals. If the proposal can be finished successful, we can understand the basic physical properties of these Co-based spin-chain compounds in-depth, and also find an possible effective route to improve the functional properties of these materials.

强磁场下材料制备是强磁场科学的一个重要应用领域。Co基自旋链状化合物因其独特的晶体结构而表现出丰富复杂的电输运、磁性、介电、铁电和热电等物理性质，在基础研究和潜在应用方面都有很大的研究价值。本项目拟在强磁场中生长Ca3Co2O6等Co基自旋链状化合物晶体材料，利用强磁场控制晶体的成核生长过程进而对材料的形貌和结构进行调控，结合Monte Carlo模拟计算，获取强磁场改变材料结构的内在机制，建立适当的理论模型。研究强磁场诱导生长对Co基自旋链状化合物材料电输运特性、自旋特性及热电、介电、铁电等功能属性的影响，结合第一性原理方法计算，揭示强磁场对材料电子结构、自旋排列及其中复杂交互作用的影响规律及其机理，以加深对该类材料基态性质的理解，获取提高材料功能特性的有效途径和方法。

低维结构受挫Co氧化物材料因其独特的晶体结构而表现出非常丰富的物理性质，如二维层状Co氧化物的磁性和优良热电性能，一维链状Co氧化物的磁性、介电和铁电性能等，在基础研究和潜在应用领域具有重要的研究价值。在这些低维Co氧化物材料中Co离子大多存在多种价态、多种自旋态，它们的基态能量相差不大，是利用元素成分和强磁场诱导生长进行性能调控的理想材料体系。.在本项目中，我们选择二维层状Co氧化物Ca3Co4O9和一维链状Co氧化物Ca3Co2O6作为研究对象，分别研究了元素替代和强磁场诱导生长对不同维度Co氧化物性能的调控效应，重点是对一维链状Co氧化物的研究。首先利用和Co同族的Rh和Ir对Ca3Co4O9进行了成分调控研究，发现掺杂元素的价态和d电子轨道的拓展性均对材料的物性产生重要的影响，4d-Rh元素掺杂可诱导Co离子在室温附近发生自旋态转变，5d-Ir元素掺杂样品在低温区出现所谓的巨热电现象。在一维链状Co氧化物Ca3Co2O6的研究中发现，Ca3Co2O6晶体在低温区出现的磁化台阶对样品冷却过程中施加的磁场和Co位元素掺杂都非常敏感，适当强度的冷却磁场(0.5-3.5T)和Co位元素(Cu元素)掺杂都可影响材料链内和链间磁交互作用间的平衡，进而对这些低温磁化台阶起抑制作用。链内和链间磁交换作用还可通过Ca位磁性离子的掺杂进行调控，Dy3+、Sm3+离子对Ca2+的部分替代可使材料的链内铁磁作用减弱，链间反铁磁作用增强，诱导出低温玻璃态磁行为。而O位适量的F元素掺杂可使材料的导电类型发生由P型向N型的转变。对Ca3Co2O6进行的强磁场诱导生长研究发现，材料生长过程中施加的强磁场对链内铁磁作用影响不大，但可使链间的反铁磁作用增强。另外，在本项目的资助下我们还成功研制了两套强磁场下材料热处理系统，可在强磁场下进行材料制备和热处理，这为今后强磁场下功能材料的制备和性能调控奠定了设备基础。