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CaB_6和SrB_6晶体的生长与物理性质研究

辛圣炜  
【摘要】:碱土金属的六硼化物是一类很重要的物质,它们具有高熔点、高强度和化学稳定性高的特点,其中许多还具有特殊的功能性,如:低的电子功函数、比电阻恒定、在一定温度范围内热膨胀值为零、不同类型的磁序以及高的中子吸收系数等。这些优越性能决定其在现代科学技术中有着广泛的应用。 在我们的研究工作中,采用固相烧结法制备得到了CaB_6和SrB_6多晶样品。电阻率的测量表明CaB_6多晶体具有半金属的导电性质,霍尔系数的测量给出了CaB_6多晶体在室温下的载流子密度为6.82×10~(18)electron cm-3。利用德拜和爱因斯坦组合的模型模拟了CaB_6的热容,与实验结果吻合得很好。 采用高温高压法制备了CaB_6和SrB_6单晶,利用X射线衍射表征了样品的结构,表明晶体的空间群为Pm-3m,晶格常数分别为a=4.159(CaB_6)和4.1975(SrB_6)。利用扫描电子显微镜观察了晶体的形貌,合成的晶体主要有三种形状:棒状,片状和块状。基于实验结果分析了CaB_6单晶的生长机理。通过电阻率的测量表明CaB_6和SrB_6单晶具有半金属的导电性质。通过第一性原理计算,证实了CaB_6和SrB_6单晶具有半金属的导电性质并分析了其导电机理。霍尔系数的测量给出了CaB_6和SrB_6单晶在室温下的载流子密度为6.32×10~(18)electron cm-3和7×10~(18)electroncm-3。通过磁性测量表明CaB_6具有顺磁性,SrB_6具有抗磁性。利用德拜和爱因斯坦组合的模型模拟了CaB_6和SrB_6的热容,与实验结果吻合得很好。 采用高温高压法制备了Mn掺杂CaB_6单晶。利用X射线衍射表征了样品的结构,与未掺杂的样品比较,发现随着Mn掺杂量的增加,晶格常数逐渐变小。通过磁电阻率的测量发现随着掺杂量的增加,导电性质由半金属转变为半导体。采用了四引线法测量了Mn掺杂CaB_6单晶的霍尔电阻率,并根据霍尔电阻率计算得到了Mn掺杂CaB_6单晶的霍尔系数。在2~300K的温度区间内,Mn掺杂CaB_6单晶的霍尔系数RH随着温度的降低而单调增大。负的霍尔系数表明Mn掺杂CaB_6单晶全部是N型半导体。通过磁性测量表明:同未掺杂的样品比较,掺杂之后的样品产生了弱铁磁性,随着Mn掺杂量的增加,样品的矫顽力和饱和磁矩逐渐变大。Mn掺杂CaB_6单晶的热容小于CaB_6,且随着温度的上升而单调增大;利用德拜和爱因斯坦组合的模型模拟了Mn掺杂CaB_6单晶的热容与温度的关系,与实验结果吻合得很好,拟合结果表明:随着Mn含量的增加,晶体的电子热容系数(γ)逐渐增大,德拜温度(TD)增加逐渐降低,爱因斯坦温度(T_E)几乎不变。 采用高温高压法成功制备了Mg掺杂CaB_6单晶,样品的X射线衍射分析结果发现:随着Mg掺杂量的增加,晶体的晶格常数逐渐变小。电阻率测量表明:Mg掺杂CaB_6单晶在温度区间2~27K内具有半导体的导电性质,而在温度区间27~300K表现为半金属的导电性质,且随着Mg掺杂量的增加,电阻率逐渐增大。采用了四引线法测量了Ca_0.94Mg_0.06B_6单晶的霍尔电阻率,Ca_0.94Mg_0.06B_6单晶的霍尔电阻率随着温度的升高而增大,霍尔测量结果表明Ca_0.94Mg_0.06B_6内的多数载流子是电子。Mg掺杂CaB_6单晶的热容随着温度的上升而增大,但小于纯CaB_6晶体的热容。德拜和爱因斯坦组合模型计算的Mg掺杂CaB_6单晶热容随温度的变化规律与实验结果吻合,且随着Mg含量的增加,其电子热容系数(γ)和德拜温度(TD)逐渐增大,爱因斯坦温度(T_E)略有增加。


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