低维分子磁性材料及自旋阻挫棱型链的磁学和热力学性质研究.pdf

华中科技大学 博士学位论文 低维分子磁性材料及自旋阻挫棱型链的磁学和热力学性质研究 姓名：傅华华 申请学位级别：博士 专业：凝聚态物理 指导教师：姚凯伦 20070530 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 I 摘 要 摘 要 近些年来, 分子固体磁学材料的研究成为交叉学科领域的前沿课题, 其中对基 于纯有机分子的磁性材料的合成和设计引起了人们的广泛关注, 该类纯有机磁性材 料中, 最著名的是 D. Shiomi 等人实验上合成的基于纯有机 S=1 的双自由基分子和 S=1/2 的单自由基分子交替排列构成的复合物, 其中分子间是反铁磁相互作用, 而分 子内是较强的铁磁作用. 该类磁性材料具有较好的亚铁磁性, 但磁转变温度极低, 只 有 6 K作用, 离实际应用尚有较远的距离, 极需要对该类磁性材料的磁相互作用机理 和量子相变规律作理论上的研究; 并从理论的角度, 提出提高该类磁性材料居里温 度的方法和途径. 对于该类磁性材料, 我们在理论上将其抽象为自旋 S=1/2 的亚铁磁棱型链模型. 首先, 我们采取的哈密顿量为基于 XY 的模型, 利用量子统计的格林函数理论, 在 Tyablikov 的解耦近似框架下, 对该亚铁磁棱型自旋链的磁学和热力学性质进行了研 究. 结果发现: 亚铁磁棱型链系统的自旋波激发谱由三支构成, 其中两支来源系统的 铁磁激发, 第三支来源系统反铁磁激发; 磁化强度在低温下随外场的变化表现 1/3 的 磁化平台, 磁化强度在不同外场下随温度的变化表现丰富的亚铁磁行为; 并且, 当双 自由基分子内铁磁作用小于分子间反铁磁作用时, 亚铁磁系统的热容量随温度的变 化呈现清晰的双峰结构; 对该系统热容量的进一步研究发现, 重复单元为三个 S=1/2 自旋的亚铁磁棱链的物理性质逐渐过渡到自旋 S=1 和 S=1/2 反铁磁作用交替排列的 亚铁磁链. 在基于一般的海森堡哈密顿量模型对亚铁磁棱型链的研究时, 我们同样采用格 林函数理论, 并在 Tyablikov 的解耦框架下, 对其磁学性质进行较系统的研究. 结果 发现: 分子间的反铁磁作用对系统亚铁磁的形成起到重要的作用; 并且, 适当降低反 铁磁作用空间对称性有利于提高系统磁性和居里温度; 双自由基分和单自由基间的 二聚化的形成有利于增强系统的磁性, 并提高居里温度; 同时, 两个双自由基分子与 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 II 其中间单自由基间三聚化的形成也利于增强系统的磁性, 并提高了磁性系统的居里 温度. 在研究中我们发现, 我们提出的棱型链模型内磁性作用全为反铁磁作用时, 该 理论模型变为一个最简单的阻挫自旋链模型. 在前面理论工作的基础上, 我们进一 步研究了反铁磁阻挫棱型链的磁学和热力学性质. 结果发现: 阻挫棱型链的磁化强 度在低温下随外场的变化也呈现1/3的磁化平台结构, 并且磁化率在低温区出现清晰 的双峰结构, 低温区的峰来源于系统的阻挫效应, 而较高温区的峰来源系统的反铁 磁作用. 我们的理论结果解释了阻挫化合物 Cu3(CO3)2(OH)2在实验上发现的一些新 颖的物理现象. 同时对一般全对称的阻挫棱型链的研究发现: 在无外磁场条件下, 系 统的热容量随阻挫强度的变化呈现丰富的双峰结构; 但向系统加入较弱的外磁场后, 发现热容量在中间温区又出现较小的峰, 使得热容量随温度的变化曲线呈现清晰的 三峰结构, 当外场稍微增大, 中间温区的峰消失, 热容量又回到双峰结构. 并由我们 的理论结果认为中间温区的峰来源量子系统的场致磁有序. 在最后, 我们采取其他的数值方法, 如量子转移矩阵方法和有限晶格的精确对 角化方法, 对 S=1/2 的棱型自旋链的磁学和热力学性质进行了研究, 和前面格林函数 方法计算得到的结果定性符合. 关键词关键词: 纯有机分子基磁体; 格林函数理论; 亚铁磁序; 自旋阻挫; 磁学和热力学; 量子转移矩阵; 精确对角化. 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 III AbstractAbstract In recent years, it is a pioneering research issue for the molecular solid magnetic materials. In particular, the synthesis and design of organic molecule-based magnetism have been attracting much attention from both experimental and theoretical points of view. Among these organic molecule-based magnetism, the most famous one is the molecule- based ferrimagnetism synthesized by D. Shiomi et al., which is composed of S=1 biradical and S=1/2 monoradical molecules alternating with antiferromagnetic interactions along the chain, and the S=1 site is composed of two S=1/2 spins by a finite ferromagnetic interaction. The organic molecular complex exhibits excellent ferrimagnetic order at low temperature, however, the magnetic transition temperature Tc of which is as low as about 6 K, which makes the organic magnetic material far from practical functionality. Such that, the magnetic coupling mechanism and the quantum magnetic transition of these organic ferrimagnetisms need to be studied in detail, and the new schemes to design and synthesize the organic molecule-based ferrimagneism with high Curie temperature should be put forward from a theoretical point of view. Based on the molecular magnetic materials synthesized experimentally, we have described above organic molecule-based magnetic materials as a spin-1/2 ferrimagnetic diamond-like chain. Firstly, we consider the diamond-like spin chain as a one-dimensional isotropic XY Heisenberg Hamiltonian model, and the magnetic properties and the thermodynamics of which have been studied by means of two-time Green’s function theory within Tyablikov’s decoupling approximation. The numerical results show that the spin-wave excitation spectra of the system are composed of three distinct branches of elementary excitations, the two of which, originate from the ferromagnetic interaction’ excitations, and the third originates from the antiferromagnetic ones. The magnetic field 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 IV dependence of the magnetization at low temperature displays as a 1/3 plateau with three critical fields, and the temperature dependence of the magnetization at various magnetic field shows rich ferrimagnetic behaviors. Meanwhile, when the intramolecular ferromagnetic interaction is less than the intermolecular antiferromagnetic ones, the temperature dependence of the specific heat of the system shows a distinct double-peak structure. With a deep research of the specific heat of the system, it is concluded that, with the further increasing of the intramolecule ferromagnetic interaction, the biradical having two S=1/2 spins becomes closer and closer to that of effective S=1 monomolecular for the thermodynamic properties. Secondly, we consider the diamond-like spin chain as a one-dimension general Heisenberg Hamiltonian model, the magnetic and thermodynamic properties of which are studied by means of Green’s function with combination to Tyablikov’s decoupling approximation. It can be found that the intermolecular antiferromagnetic interactions play an important role on the formation of the ferrimagnetic order along the spin chain. And the lower space symmetry of the antiferromagnetic interactions has contribution to the spontaneous magnetization and the increasing of the Curie temperature. Meanwhile, the form。