低维磁性材料Cu(2-Ethylpyrazine)Br2和Ln(HSeO3)(SeO3)·2H2O(Ln=Yb,Dy,Eu)的制备与物性研究

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材料的磁、光、电、力学等性质很大程度上取决于微观尺度上的晶体结构和电子结构特征。在过渡金属或稀土化合物中,由于洪特规则会使得d或f轨道电子呈现特定的排列形式,从而可能使离子上出现自旋未配对的电子,产生自旋磁矩。当这些磁性离子具有交换作用的时候,电子的库伦排斥力会使得磁矩在空间中呈现周期性结构,即磁有序。磁性材料已经在现代社会中得到广泛应用,比如自旋电子学、粒子加速器等前沿科学领域的核心部件。低维量子磁体呈现出拉亭格液体态、量子自旋液体态、自旋-电荷分离等丰富的量子现象,它们与高温超导现象关系密切,并且在量子纠缠态的制备中有独特优势,因此近几十年一直是凝聚态物理研究的热点。其中,自旋梯子是介于一维和二维之间的低维磁体。它可以在磁场、压力等外界参数调控下呈现多种量子态,是一类被广泛探索的低维量子磁性模型。另外,二维磁体中特定的磁性晶格排列方式会引入几何阻挫和强烈的磁涨落,产生新颖的分数型磁激发。因此探索新型低维磁性体系,制备相关晶体材料和测量它们的物性可以深化对磁性物理的理解,为理论模型提供线索。我们通过扩散法合成了具有强梯型自旋梯子模型的新化合物Cu(2-Ethylpyrazine)Br2,并对它的晶体结构和物理性质进行了研究。该化合物属于单斜空间群C2,具有双腿自旋梯子结构。其中铜离子在梯形方向被溴化物离子桥接,在轨道方向被2-乙基吡嗪分子桥接。其磁化率与强梯型自旋梯子模型是一致的,我们得到Jrung/k B=-33.819(1)K,Jrail/k B=-25.206(3)K,得到的自旋能隙结果为Δ/k B=17.08 K。磁化率和比热的测量都表明在温度低至2 K的范围内都不存在长程有序,也表明了化合物的梯间耦合相对较弱。我们还通过水热法合成了三种新型稀土亚硒酸盐Ln(HSe O3)(Se O3)·2H2O(Ln=Yb,Dy,Eu),并从晶体结构、热重分析、红外光谱、发光光谱、磁性等方面进行了表征。三种化合物为同结构化合物,属于非中心对称结构,都属于正交晶系空间群P212121。其中每个稀土原子与8个氧原子配位,形成扭曲的Ln O8多面体。硒离子的配位环境归因于其具有立体活性的孤对电子,每个硒原子与3个氧原子形成金字塔配位。三种化合物都显示出有趣的手性层,由Ln O8、Se O3、HSe O3多面体通过边缘共享形成二维层状结构。这些手性层通过氢键相互连接,形成具有手性通道的三维结构。红外吸收谱和光致发光谱都可以用稀土元素的电子结构解释。磁性测量结果显示,直到2 K三种磁性化合物都没有静态磁有序,它们主要的相互作用为反铁磁相互作用,有明显的几何阻挫效应。
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