魏义永，訾振发，马小航

合肥师范学院，合肥，230601

1 问题的提出

纯Cr是一种具有非公度的自旋密度波(SDW)型的反铁磁金属[1]。以Cr为基础的体心立方结构三元合金显示巨磁阻效应[2-3]。由于温度和成分的改变出现了不同的磁相变，根据磁相图[4-5]，Cr-Fe-Mn合金从低温到高温经历自旋玻璃冻结状态(SG)、铁磁相(FM)、反铁磁相(AFM)和顺磁相(PM)。当反铁磁性杂质锰掺入时，费米面被调制，非公度的SDW转变成公度的SDW，同时提高TN，增强AFM耦合。当铁磁性杂质铁掺入时，降低TN，出现局域FM相变，从而引起丰富的磁现象，这一过程引起学者的研究兴趣[6-9]。Cr-Fe-Mn合金不是磁单相[5-10,11]，而是通过穆斯堡尔谱和磁测量的实验结果得到。合金在TN以上虽呈PM，但其中某些磁耦合的团簇已存在。合金在温度低于TN以下SDW、AFM有序开始形成，但部分PM仍被保持。随着温度的下降，PM部分逐渐转变成铁磁耦合；但AFM则一直保留下来。当温度降到居里温度TC时，系统进入AFM与FM共存的状态；最后，当温度降到更低温度Tf时，系统进入SG。

一般合金的热导率主要是电子热导率κe与声子热导率κg之和，即κ=κe+κg。对磁性材料，磁矩按一定的规则排列成点阵，形成自旋波或磁子，它们之间的协同作用既是一种新的导热机制，又是电子导热和声子导热的阻力机制[12]。磁对热导率的影响一般在较低的温度下可以观察到，如在MnF2、CoFe[13]磁性材料中，磁性引起热导率-温度曲线斜率的变化，这些变化都与磁子和声子相互作用有关。对Cr-Fe-Mn合金的磁性质和电输运性质报道很多[14-15]，而对其热输运的性质报道很少[16]，本文报道SDW材料Cr80-xFexMn20(x=20,25)合金在10～300 K范围的磁性和输运性质，研究这种体系中磁性相关散射对热输运性质的影响。

2 材料和方法

高温熔融制备Cr80-xFexMn20(x=20,25)样品。按照名义配比，称量一定质量的纯Fe锭、纯Cr片以及纯Mn块，放进中频真空感应炉(Balzers公司)中熔融。然后在1 100℃退火180 h，随炉冷却。最后再切割成长16 mm，横截面积1.5 mm×1.0 mm的细杆形状，再在1 100℃退火4 h，冰水淬火。利用X射线衍射(XRD)表征样品的结构，结果表明，样品均为体心立方结构的固熔体。

采用纵向稳态热流法测量热导率。温度可控的恒温块与样品的一端充分热接触，用Rh-Fe温度计测量恒温块温度，用镍铬-康铜热电偶测定样品上的温差。一个薄片电阻被粘贴在样品另一端作为加热器，加热功率为Q=I×U(I,U为加热电流与电压)。在稳态情况下记录,Q在截面积为S的样品上相距为l的两处产生的温差ΔT,则样品的热导率为:

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3 结果和讨论

3.1 磁化强度

图1 Cr80-xFexMn20(x=20，25)合金在100 G外场下 FC和ZFC的磁化强度随温度变化曲线 (dM/dT-T曲线)

Cr80-xFexMn20(x=20，25)两个合金在100 G外场下,场冷(FC)和零场冷(ZFC)的磁化强度随温度变化曲线如图1所示。两合金的MZFC(T)和MFC(T)曲线在室温附近部分完全相同。利用PM测量的数据，获得磁化率倒数随温度变化曲线如图2所示。在相对高的温度下，两个样品的磁化率显示偏离了居里-外斯定律行为[χm-1=C/(T-θ)]，该曲线明显展示了不同的顺磁居里温度θ，见表1。一般来说，θ代表无序系统所有交换作用总和[17]。随着温度降低，两个合金的MZFC(T)和MFC(T)都逐渐增加，当降到居里温度TC(TC从dM/dT-T图上获得)附近时，显著增加，表明这些样品经历了从PM到FM的相变。随着温度继续降低，MZFC(T)和MFC(T)曲线在TB温度以下开始逐渐分叉，MZFC(T)连续减小，表明系统中存在铁磁团簇，并且在定义自旋冻结温度Tf处显示尖端结构，在Tf以下，MZFC(T)迅速减小，而MFC(T)变化不大，这反映了系统可能进入SG。在室温附近，两个系列合金的和MFC(T)曲线完全相同。而低温下，随着化学计量比Fe浓度的增加，两个样品的居里温度TC和TB提高，并且MZFC(T)的肩形逐渐变宽。结果表明在Mn不变情况下，两个合金的铁磁性随着Fe增加而增强。两样品磁化强度测量获得的重要参数见表1。

表1 关于Cr80-xFexMn20(x=20，25)合金的磁和电输运性质的实验参数

图2 Cr80-xFexMn20(x=20,25)合金磁化率 的倒数随温度变化曲线

从这些曲线能够区别以下几个特征和四个关键温度：在顺磁居里温度θ处，两个样品的磁化率显示偏离了居里-外斯定律行为，这可能是因为在顺磁背景中形成短程铁磁团簇[17]。θ的数值随着Fe化学配比增加而增加，局域铁磁增强；表1显示，随着Fe成分增加，居里温度TC和TB均提高，反映了材料中Fe的增加能够增强铁磁性质；在Tf处，MZFC(T)曲线显示尖端结构在Cr80-xFe20Mnx(x=10,15)[18]也观察到了，表明了SG相变。通过交流磁化率测量将能进一步确认两个样品中SG存在。

3.2 电阻率

图3给出Cr80-xFexMn20(x=20,25) 合金归一到300 K的电阻率～温度曲线。从图3看出，两样品给出相似的电输运行为。室温附近，两样品的电阻率相差不大；随着温度降低，开始阶段两个样品电阻率基本一致地单调减小，在高温端的顺磁相中，合金的ρ-T关系为金属行为，表现金属性；随着温度的下降,在定义温度TN[1]附近，每条曲线上都有极小值；在低于极小值对应温度以下的中间温区，随着Fe掺杂浓度的提高,电阻率被压制，奈尔温度TN向低温端移动，而居里温度TC向高温端移动；更低温度下，电阻值出现饱和。两样品电阻率测量获得的重要参数见表1。

图3 Cr80-xFexMn20(x=20,25) 合金归一到300 K的电阻率-温度曲线

值得注意是，在电阻曲线上，在居里温度TC附近没有出现明显的反常，而在TC以上相对高温度Tρ处有变化。Tρ接近θ，表明在Tρ附近铁磁团簇开始形成。与铁磁团簇相关的散射引起Tρ附近电阻率改变。在奈尔温度TN附近，x=20样品的电阻率出现上升，且x=25样品的电阻率出现上升趋势，这是由于样品在该温度附近发生SDW AFM相变[19]，出现电子-空穴对的凝聚，AFM能隙逐渐打开，引起可导电费米面和有效传导电子数都减少[1]，因此出现电阻率上升或上升趋势。在Tρ以下，电阻率饱和可能与SG相变有关。

在本文系统中，FM和AFM之间的共存和竞争是磁受挫的起因。磁化强度和电阻率的变化表明铁磁团簇镶嵌在反铁磁背景中。随着温度降低，铁磁相互作用的强度增大，FM和AFM有序的竞争加强，以致系统中磁受挫随着温度降低而逐渐增强。随着温度进一步降低，当磁受挫足够强时，合金在较低温度下进入SG。

3.3 热导率

图4 Cr80-xFexMn20(x=20,25) 合金 在15-300 K温度范围内的热导率-温度曲线

Cr80-xFexMn20(x=20,25)合金热导率与温度的关系测量结果如图4所示。由图4可知，两个样品给出相似的热输运行为，热导率在奈尔温度TN以上趋于饱和；在TN以下随着温度的降低单调地减小；在更低的温度下出现了热导峰。随着Fe成分的增加，Cr80-xFexMn20(x=20,25)样品热导率的绝对值增加，热导峰变明显，热导峰对应的温度基本不变。

关于热导的测量结果，以下分三个温区分别讨论：在电阻率极小值对应奈尔温度TN附近，热导率-温度曲线斜率明显改变，主要因为电子对热导的贡献，与两个样品经历PM到AFM的转变过程中能隙的打开而导致有效传导电子数减少有关；TN以下中间很宽温区，ρ(T)变大，k(T)反常压低，这一点来自磁性相关的散射。在TN附近，两个样品经历PM到AFM相变，形成AFM为背景。随着温度降低，开始形成铁磁团簇，这些铁磁团簇镶嵌在长程有序AFM背景中。随着温度进一步降低，铁磁团簇增强，破坏反铁磁背景，FM和AFM之间相互作用的竞争增加磁无序程度，带来更多磁性相关的散射，引起ρ(T)变大，k(T)反常压低，表现出与无序样品或者玻璃态样品类似的热导温度关系；更低温度下，两个样品在25 K附近都观察到热导峰，此峰可以用德拜近似声子谱来模拟，结果暗示此峰是声子热导峰，是边界散射和U过程竞争的结果。磁无序是进入SG前提。当温度进一步降低，FM增强，它和AFM之间共存和竞争，磁相互作用会出现受挫，最后使系统进入SG。当系统进入SG，自旋冻结就会出现，磁散射削弱对热导率κ压制，在更低温度下，边界散射占主导，和U过程竞争的结果出现了声子热导峰。

4 结 论

在TN附近观察到热导率-温度曲线斜率的改变和电阻率极小值，这与SDW AFM转变过程中能隙的打开有关。在TN以下中间温区，合金中开始形成AFM有序，随着温度下降，PM的一部分逐渐转变成铁磁耦合。与磁性相关的散射，导致热导反常压低，表现出与玻璃态样品或者无序样品类似的热导率-温度关系。FM和AFM之间相互作用的竞争和共存，导致系统在更低温度下进入SG，磁散射减弱对热导率压制，低温出现声子热导峰。