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过渡金属硼酸盐结构和磁性研究现状简介

硼酸盐的基本结构单元为BO3和BO4阴离子基团。BO3或者BO4可以是孤立的存在,它们也可以共顶点相连,形成诸如B2O5 、B2O7 、 B3O6 、B4O9 等等的多核硼的复杂基团。硼酸盐化合物具有丰富的结构化学,从而导致过渡金属硼酸盐具有丰富的磁性特征。以下简单介绍几种代表性过渡金属硼酸盐。
方法/步骤
1

过渡金属硼酸盐中磁性最为丰富和奇异的是SrCu2(BO3)2。在化合物SrCu2(BO3)2中,四配位的两个Cu原子首先通过共边连接成为二聚体。然后BO3基团通过共边和共顶点的方式把临近的两个正交二聚体连接起来。如下图所示,从而形成了2D的Cu-B-O层,该结构的奇特之处在于每一个二聚体和临近的四个二聚体均垂直。首先二聚化的铜离子在10K左右形成自旋单态,而居里温度为92K。由于没有长程有序,所以阻挫值f很大,意味着化合物中电子关联非常强。由于非常强的阻挫效应和比较小的自旋能隙,因而在M-H测试中观察到了多个量子化的磁化平台,这种现象源于自旋的魏格纳凝固。

2

PbMBO4 (M=Fe, Mn, Cr)呈现1D链的结构特征。如下图所示,三价的M离子通过共边连接形成线性1D链,BO3基团进一步通过共顶点的方式把这些1D链连接起来。本来线性1D链具有很好的低维磁性,但是由于BO3基团太小,因而链间的相互作用比较大。这就导致了这三个化合物呈现出反铁磁的长程有序。

3

在化合物MMOBO3(M=Fe,Mn)中,M原子具有正二和正三两种价态。两个晶体学位点的M离子通过共边形成四核的条带,{MI-MII-MII-MI}。如下图所示,四核的条带通过共顶点的方式连接形成3D骨架结构,BO3基团镶嵌在骨架的空隙当中。这两个化合物具有电荷序和磁有序两种现象。在变价的化合物中,电荷有序的现象十分有意思。该物质在340K发生电荷有序的相变而在155K发生亚铁磁有序的转变。

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