Co_2Mn_(1-x)Ti_xSi赫斯勒合金的制备与磁性及FMR谱线展宽原理

【摘要】Heusler合金是一类具有高自旋极化率的铁磁性金属间化合物,在自旋电子学方面有着广阔的应用前景。近年来有实验和理论报道通过元素掺杂和替代制备四元Heusler合金可以调控费米面在半导体带隙中的位置从而改变其能带和磁学性质。本文使用电弧熔炼的方法制备出以半金属性Co2MnSi为基,用非磁性Ti替代Mn的系列Heusler合金,并研究了Ti掺杂量及不同退火条件对其结构和磁学性质的影响。为了探索合金样品铁磁共振谱谱线展宽的原理,我们进行了铁磁共振谱谱线的拟合计算的研究,并制备了厚度不同的Ni薄膜用于验证算法和程序的正确性。首先,我们将纯度达到99.99%的单质金属按Co2Mn1-xTixSi的原子比例(x=0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0)配比,在氩气环境下通过电弧熔炼制备了熔融产物。X射线衍射图样表明,经过电弧熔融直接得到得的熔炼产物没有相分离(如分离为Co2MnSi和Co2TiSi)。同时也表明其晶格结构不仅包含L21结构,而是由多种结构构成,因此需要通过高温退火处理。我们使用了两种高温退火工艺：一是将熔融产物密封在真空的石英管中在1073K下退火8天,并自然降温。二是将一次退火后的样品在冷却后重复退火程序一次。之后用X射线衍射仪、振动样品磁强计、电子自旋共振谱仪对经过不同退火处理的Co2Mn1-xTixSi合金样品的结构和磁学性能进行了表征。结果表明：(1)两种退火工艺处理后的Co2Mn1-xTixSi样品均没有发生相分离现象。在1073K下退火8天,并自然降温的样品晶体结构呈L21结构；经过二次退火的样品呈DO3结构。两种结构的样品晶格常数随Ti含量增加而增加,这是因为Ti原子半径大于Mn原子半径。L21结构的Co2Mn1-xTixSi样品晶格常数分布于5.66A到5.73A。DO3结构的Co2Mn1-xTixSi样品晶格常数比L21结构有明显增大,分布于5.94A到6.01A。(2)Co2Mn1-xTixSi样品的饱和磁化强度随Ti含量的增加而下降。DO3结构的样品饱和磁化强度较L21结构样品的饱和磁化强度下降。L21结构的样品单位分子式的磁矩分布于4.8μB/f.u到1.3μB/f.u。在Mn含量较高时其饱和磁矩基本满足Slater-Pauling曲线；但当Ti含量较高时其饱和磁矩比理论曲线低,这是由于高Ti掺杂导致样品居里温度显著减小,从而导致了室温磁性显著减小。DO3结构的样品单位分子式的磁矩分布于3.2μB/f.u.到1.0μB/f.u.低于Slater-Pauling曲线的理论预期。(3)Co2Mn1-xTixSi样品的居里温度同样随Ti含量的增加而下降。L21结构的样品的居里温度除Co2MnSi超过测量范围(990K)外,其余分布在947.5K—401.5K之间。DO3结构的样品的居里温度分布在783.0K—369.8K之间。当Mn含量较高时居里温度满足线性变化的规律,当Mn含量较低时并未表现出线性相关的特点。(4)我们测试了Co2Mn1-xTixSi粉末样品的FMR谱。由于粉末样品形貌不规律,无法得到样品本征的阻尼因子α。通过将样品磨成光滑的小薄片,样品的FMR谱线线宽有了明显的减小,但与Heusler合金本征的阻尼因子α所造成的线宽相比仍有数量级的差距。为了对探索Co2Mn1-xTixSi样品铁磁共振谱线展宽的原理,我们进行了铁磁共振谱谱线的拟合计算的研究。我们从Landau-Lifshitz-Gilbert方程出发,推导出了磁导率的实部和虚部随外场变化的表达式。根据推导出的表达式,我们使用Matlab软件编写程序,通过数值模拟,计算并绘制出给定参数的铁磁共振谱线。为了验证算法和程序的正确性,我们制备了厚度在9nm到45nm的Ni薄膜。对于Ni薄膜样品,拟合所得的结果与实验数据能很好的符合,并通过拟合得到样品的阻尼因子α及朗德g因子。通过对公式和拟合过程中调节参数的研究,并联合Kittel公式进行讨论,我们判断,对于粉末和薄片样品的铁磁共振谱谱线展宽,缺陷所引起的形状各项异性起到了主导作用。
【作者】姚玥璘；
【导师】席力；
【作者基本信息】兰州大学，凝聚态物理，2014，硕士
【关键词】Heusler合金；slater-Pauling法则；居里温度；铁磁共振；阻尼因子；谱线展宽；

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