二维材料mnpse3单晶的磁临界行为研究【字数：8931】
近年来，二维磁性材料在我们的生活中有广泛的应用，所以二维磁性材料的研究也日益增多。以MnPSe3和FePSe3为代表的过渡金属硫代亚磷酸盐属于新型的二维磁性材料，对我们探索二维材料的性质与应用由很大的价值。本文对二维磁性材料MnPSe3和FePSe3单晶进行了研究与分析，通过化学气相输运(CVT)方法制备得到MnPSe3和FePSe3单晶样品，用X射线衍射(XRD)等方法对样品进行表征，进而对样品进行中子衍射实验研究，得到材料的晶体结构以及磁性结构，并对其磁结构进行分析。通过实验，观察到单晶中子衍射粉末光谱的强度、晶格参数以及位置参数，此外，还得到了样品中子衍射图和磁性结构图。通过对两种材料的对比，得到其磁性结构的差异以及晶体的铁磁性与反铁磁性。
目录
第一章 绪论 1
1.1二维磁性材料 1
1.2铁磁性与反铁磁性 2
1.2.1铁磁性 2
1.2.2反铁磁性 3
1.3过渡金属硫代亚磷酸盐 3
1.4本文的研究目的及安排 4
第二章 材料的制备与表征 5
2.1化学气相输运法 5
2.2表征手段 6
2.2.1 X射线衍射(XRD) 6
2.2.2 扫描电子显微镜(SEM) 7
2.2.3 超导量子干涉仪（SQUID) 8
2.2.4综合物理性测量系统（PPMS） 9
第三章分层化合物MnPSe3和FePSe3的中子衍射研究 10
3.1引言 10
3.2制备与实验 10
3.2.1制备 10
3.2.2实验 11
3.3晶体结构 11
3.4磁性结构 14
3.4.1 MnPSe3和FePSe3的磁结构分析 14
3.4.2磁矩的方向 16
3.5本章小结 19
第四章 总结与展望 22
参考文献 23
致谢 25
第一章 绪论
1.1二维磁性材料
自从2004年石墨烯被发现以来[13]，因其可以稳定存在并且具有理想的狄拉克费米子特 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
性,二维材料如雨后春笋般接踵而出，近十几年来，二维材料成为凝聚态物理最热门的研究领域之一，越来越多的二维材料被发现并得到应用,其已经发展成涵盖各个领域的材料家族体系。二维材料一般只有几个纳米的厚度，具有很多优秀的性能，比如强度高，质量轻，可以弯曲，导电导热性能优异等等[48]。然而大部分的二维材料是没有磁性的，关于二维材料在磁性方面的研究最开始主要聚焦在通过缺陷[9]和吸附原子[10]等手段来引入磁性，经过人们不断的研究与发现，合成了具有弱磁性的纳米片薄片[11]，没有磁序的顺磁性的石墨烯[12]，二维磁行材料的研究有了一定进展，接着人们发现，本身具有磁性的二维材料更有价值，但是当材料降低到二维尺度时，材料的长程磁序会受到热起伏的阻碍而被破坏[13]，所以寻找到二维尺度下的具有磁性的材料面临严峻挑战。后来，人们利发现FePS3具有反铁磁性，紧接着Cr2Ge2Te6薄层样品也被发现具有本征长程磁序[14]。因此，具有磁性的二维材料被人们所接受。
二维材料本来就具有许多优异的性能，当这些优点与其本身所具有的磁性相结合就会产生新的特异性的性能。在传感，信息和数据储存方面有着巨大的应用价值[15]。
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图1：显微系统下的不同温度时双层Cr2Ge2Te6的光学变化图像
1.2铁磁性与反铁磁性
磁性材料的磁性主要分为两种，一种是铁磁性，另一种是反铁磁性。其中铁磁性材料包括CrXTe3(X=Si,Ge)等等，而反铁磁性材料有FePSe3,MnPSe3等。
1.2.1铁磁性
人们一开始认为具有铁磁性的物体时由于其自身内部能够自发的磁化，法国物理学家P.E.外斯认为之所以铁磁性材料能够自发磁化是因为它内部有一个“分子场”，而这个能够自发磁化的区域叫做磁畴，后来人们发现，电子的自旋磁矩会导致磁畴的磁矩。1928年，W.K.海森伯，量子力学的创始人之一，他用自己擅长的量子力学想要解释“分子场”，幸运的是，他成功了。紧接着，1930年，F.布洛赫又提出了自旋波理论。前人栽树，后人乘凉，根据前人的理论，人们终于总结出材料具有铁磁性的原因，那就是原子中有一些不配对电子，而这些电子的相互交换作用直接导致了材料的铁磁性。铁磁体达到磁饱和之后磁化强度不会在发生变化，铁磁性材料的磁化强度与外磁场呈非线性关系。这种关系是一条闭合曲线，此曲线称为磁滞回线。所以就有了磁滞效应，即在外磁场发生变化时，磁体的磁化强度不会立即变化，而是稍落后于外磁场。铁磁体在达到居里温度时会发生变化，磁性从铁磁性转变为顺磁性。
一般来讲，铁磁体等强磁物质的磁化强度M或磁感应强度B不是磁场强度H的单值函数。如图二所示，曲线从H=M=B=0开始出发，沿OABC到达C点，在这个过程中，磁化强度慢慢增加，逐渐趋于饱和，记为Ms。如果磁场减小，则磁化曲线不会沿原来的路线返回到远点，此时会发生磁滞效应，剩余的磁化强度记为Mr。为了让M再次于X轴相交，把磁场方向变为相反的方向，当M回到X轴时的磁场强度记为Hc。然后磁场继续增加至Hs时，磁化强度M沿曲线DEF至Ms,重复上述步骤得到曲线EGB,组合起来的曲线BDEGB即为磁滞回线[1617]。
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图2：磁滞回线
1.2.2反铁磁性
当外部没有给与磁场的情况下，相邻且完全相同原子或者离子之间会发生一种相互作用,正是这种相互作用，使得磁矩对外表现为零。通过实验研究和理论分析，在这种相互作用下，在磁性材料中,相邻原子的磁矩呈现一种反平行整齐排列的状态，虽然这时磁矩处于整齐排列状态，但没有加入外加磁场时，单位体积中的净磁矩为零，外在表现磁性为零，这种现象被称为反铁磁性。
电子自旋的排列方式时反向平行的，在一个子晶格中，磁畴部分自发磁化，电子磁矩排列方式是同向排列的，而在不同子晶格中，电子磁矩排列方式是反向排列的。正是因为这种结构导致两个子晶格自发磁化强度相同，方向相反，整个晶体磁化率接近于0.和铁磁体一样，反铁磁体也存在奈尔温度，当温度达到一定高度时，反铁磁体表现为顺铁磁体。这是由于温度上升时，电子自旋反向的作用减弱，热扰动影响较大。
目录
第一章 绪论 1
1.1二维磁性材料 1
1.2铁磁性与反铁磁性 2
1.2.1铁磁性 2
1.2.2反铁磁性 3
1.3过渡金属硫代亚磷酸盐 3
1.4本文的研究目的及安排 4
第二章 材料的制备与表征 5
2.1化学气相输运法 5
2.2表征手段 6
2.2.1 X射线衍射(XRD) 6
2.2.2 扫描电子显微镜(SEM) 7
2.2.3 超导量子干涉仪（SQUID) 8
2.2.4综合物理性测量系统（PPMS） 9
第三章分层化合物MnPSe3和FePSe3的中子衍射研究 10
3.1引言 10
3.2制备与实验 10
3.2.1制备 10
3.2.2实验 11
3.3晶体结构 11
3.4磁性结构 14
3.4.1 MnPSe3和FePSe3的磁结构分析 14
3.4.2磁矩的方向 16
3.5本章小结 19
第四章 总结与展望 22
参考文献 23
致谢 25
第一章 绪论
1.1二维磁性材料
自从2004年石墨烯被发现以来[13]，因其可以稳定存在并且具有理想的狄拉克费米子特 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
性,二维材料如雨后春笋般接踵而出，近十几年来，二维材料成为凝聚态物理最热门的研究领域之一，越来越多的二维材料被发现并得到应用,其已经发展成涵盖各个领域的材料家族体系。二维材料一般只有几个纳米的厚度，具有很多优秀的性能，比如强度高，质量轻，可以弯曲，导电导热性能优异等等[48]。然而大部分的二维材料是没有磁性的，关于二维材料在磁性方面的研究最开始主要聚焦在通过缺陷[9]和吸附原子[10]等手段来引入磁性，经过人们不断的研究与发现，合成了具有弱磁性的纳米片薄片[11]，没有磁序的顺磁性的石墨烯[12]，二维磁行材料的研究有了一定进展，接着人们发现，本身具有磁性的二维材料更有价值，但是当材料降低到二维尺度时，材料的长程磁序会受到热起伏的阻碍而被破坏[13]，所以寻找到二维尺度下的具有磁性的材料面临严峻挑战。后来，人们利发现FePS3具有反铁磁性，紧接着Cr2Ge2Te6薄层样品也被发现具有本征长程磁序[14]。因此，具有磁性的二维材料被人们所接受。
二维材料本来就具有许多优异的性能，当这些优点与其本身所具有的磁性相结合就会产生新的特异性的性能。在传感，信息和数据储存方面有着巨大的应用价值[15]。
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图1：显微系统下的不同温度时双层Cr2Ge2Te6的光学变化图像
1.2铁磁性与反铁磁性
磁性材料的磁性主要分为两种，一种是铁磁性，另一种是反铁磁性。其中铁磁性材料包括CrXTe3(X=Si,Ge)等等，而反铁磁性材料有FePSe3,MnPSe3等。
1.2.1铁磁性
人们一开始认为具有铁磁性的物体时由于其自身内部能够自发的磁化，法国物理学家P.E.外斯认为之所以铁磁性材料能够自发磁化是因为它内部有一个“分子场”，而这个能够自发磁化的区域叫做磁畴，后来人们发现，电子的自旋磁矩会导致磁畴的磁矩。1928年，W.K.海森伯，量子力学的创始人之一，他用自己擅长的量子力学想要解释“分子场”，幸运的是，他成功了。紧接着，1930年，F.布洛赫又提出了自旋波理论。前人栽树，后人乘凉，根据前人的理论，人们终于总结出材料具有铁磁性的原因，那就是原子中有一些不配对电子，而这些电子的相互交换作用直接导致了材料的铁磁性。铁磁体达到磁饱和之后磁化强度不会在发生变化，铁磁性材料的磁化强度与外磁场呈非线性关系。这种关系是一条闭合曲线，此曲线称为磁滞回线。所以就有了磁滞效应，即在外磁场发生变化时，磁体的磁化强度不会立即变化，而是稍落后于外磁场。铁磁体在达到居里温度时会发生变化，磁性从铁磁性转变为顺磁性。
一般来讲，铁磁体等强磁物质的磁化强度M或磁感应强度B不是磁场强度H的单值函数。如图二所示，曲线从H=M=B=0开始出发，沿OABC到达C点，在这个过程中，磁化强度慢慢增加，逐渐趋于饱和，记为Ms。如果磁场减小，则磁化曲线不会沿原来的路线返回到远点，此时会发生磁滞效应，剩余的磁化强度记为Mr。为了让M再次于X轴相交，把磁场方向变为相反的方向，当M回到X轴时的磁场强度记为Hc。然后磁场继续增加至Hs时，磁化强度M沿曲线DEF至Ms,重复上述步骤得到曲线EGB,组合起来的曲线BDEGB即为磁滞回线[1617]。
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图2：磁滞回线
1.2.2反铁磁性
当外部没有给与磁场的情况下，相邻且完全相同原子或者离子之间会发生一种相互作用,正是这种相互作用，使得磁矩对外表现为零。通过实验研究和理论分析，在这种相互作用下，在磁性材料中,相邻原子的磁矩呈现一种反平行整齐排列的状态，虽然这时磁矩处于整齐排列状态，但没有加入外加磁场时，单位体积中的净磁矩为零，外在表现磁性为零，这种现象被称为反铁磁性。
电子自旋的排列方式时反向平行的，在一个子晶格中，磁畴部分自发磁化，电子磁矩排列方式是同向排列的，而在不同子晶格中，电子磁矩排列方式是反向排列的。正是因为这种结构导致两个子晶格自发磁化强度相同，方向相反，整个晶体磁化率接近于0.和铁磁体一样，反铁磁体也存在奈尔温度，当温度达到一定高度时，反铁磁体表现为顺铁磁体。这是由于温度上升时，电子自旋反向的作用减弱，热扰动影响较大。
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