四方晶系下钕离子的基态分裂

王保松，刘红艳，夏继周

(1.菏泽学院物理系，山东菏泽 274015；2.淮北师范大学物理与电子信息学院，安徽淮北 235000；3.山东青年政治学院学生工作部，山东济南 250014)

四方晶系下钕离子的基态分裂

王保松1，刘红艳2，夏继周3

(1.菏泽学院物理系，山东菏泽 274015；2.淮北师范大学物理与电子信息学院，安徽淮北 235000；3.山东青年政治学院学生工作部，山东济南 250014)

采用点电荷晶场模型，通过模拟四方晶系化合物NdCuAs2和Nd2Ge2In的磁化率倒数-温度曲线，得到了Nd3+的各级分裂能和相应波函数，并分析了晶场效应对化合物磁性质的影响.结果表明，Kramers离子Nd3+的十重简并基态4I9/2在晶场效应的作用下分裂为5个双态，计算结果与实验吻合得较好.

NdCuAs2；Nd2Ge2In；磁化率；晶场效应

稀土元素特殊的外电子层结构使稀土化合物具有独特的光、电、磁等性能，稀土化合物被誉为“新材料的宝库”.稀土化合物中存在各种磁性效应，这些磁性效应各自都以不同的物理机制使稀土磁性材料起着转换、传递和存储能量、信息的作用，所以对稀土化合物进行深入细致的研究具有非常重要的意义.稀土化合物中，局域4f电子受到周围离子的晶场作用后，多重基态会发生分裂或激发，简并度会部分或完全消失，这会对系统的磁化率、比热、电阻率和磁化强度等性质产生极大的影响.文献[1-4]分别对PrNi2Al5、NdNiAl4、Ce2Pd3Si5和Ce(Pd1-xMx)2Al3的磁化率倒数-温度曲线进行了模拟，得到了各化合物的晶场分裂能，结果与实验获得了较好的吻合.本文根据Sengupta[5]和Zaremba[6]测量的NdCuAs2和Nd2Ge2In磁化率实验数据，对四方晶系化合物NdCuAs2和Nd2Ge2In中Nd3+的晶场分裂进行研究，同时分析了晶场效应对该系列化合物性质的影响，这有助于进一步了解稀土化合物的结构和物理特性.

1 理论简介

是周围离子的坐标矢量，是金属离子第i个价电子的坐标矢量.

在晶体中，带有未满4f壳层的稀土离子的晶场作用项可以写为：

2 计算结果与讨论

Sengupta[5]和Zaremba[6]用居里-外斯定律拟合磁化率曲线得到Nd3+有效磁矩的拟合值分别为3.86μB和3.60μB，与有效磁矩的理论值μtheo=相差很小，这表明Nd3+的有效磁矩具有很好的局域性.实验测得饱和磁化强度分别为1.5μB和0.92μB，远小于理论值.可以推测，晶场效应的屏蔽引起了磁矩的部分猝灭[9].从文献[5-6]中很容易看出，NdCuAs2和Nd2Ge2In两化合物磁化率倒数-温度曲线在50 K以下与居里-外斯拟合曲线产生了明显的偏离，Zaremba[5]和Zaremba[6]预言这两种化合物中可能存在强烈的晶场效应，从而使稀土离子的基态发生分裂.本文选定表1的参数来计算NdCuAs2和Nd2Ge2In中Nd3+的基态分裂能和相应波函数.

表1 NdCuAs2和Nd2Ge2In中Nd3+的晶场系数Table 1 Coefficient of Crystal Field of Nd3+ in NdCuAs2 and Nd2Ge2In

图1给出了NdCuAs2和Nd2Ge2In的磁化率倒数晶场模拟曲线和实测曲线.

表2 NdCuAs2中Nd3+晶场分裂的各级能量值和相应波函数Table 2 Energy Values and Corresponding Wave Functions of Different Energy Levels of Nd3+ in Cristal Field Splitting of NdCuAs2

由图 1可看出，通过计算得到的模拟曲线较好地再现了实验曲线.通过模拟磁化率倒数-温度曲线可得到NdCuAs2和Nd2Ge2In中Nd3+的各能级能量值和相应波函数，见表2和表3.从表2和表3中可以看到，由于晶场效应的影响，新的本征函数是相同总角动量J、不同磁量子数M的波函数的线性组合.Kramers离子Nd3+分裂得到的是双基态，但不再是纯的双基态，而是混合的双基态，这与Kramers定理当稀土元素具有奇数个f电子时，必定拥有双重基态是一致的.两种四方晶系化合物NdCuAs2和Nd2Ge2In中，Nd3+的十重简并基态4I9/2都分裂为5个双态，所不同的是NdCuAs2中4f电子和过渡金属Cu中的传导电子之间存在强烈的杂化，这使其各级晶场分裂能都高于Nd2Ge2In.

表3 Nd2Ge2In中Nd3+晶场分裂的各级能量值和相应波函数Table 3 Energy Values and Corresponding Wave Functions of Different Energy Levels of Nd3+in Cristal Field Splitting of Nd2Ge2In

3 结 论

本文基于晶场理论，通过对磁化率倒数-温度曲线的模拟，得到了稀土化合物 NdCuAs2和Nd2Ge2In中Nd3+的各级分裂能和相应波函数，并从理论上进行了分析.由于低温下磁化率随温度的变化比较复杂，且化合物也不仅仅是只受到晶场效应一种作用的影响，所以很难对曲线的低温部分进行准确模拟，更准确的计算还要借助于中子散射等能精确检测磁结构的实验手段.

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Ground States’ Splittings of Nd3+in Tetragonal Crystal System

WANG Baosong1, LIU Hongyan2, XIA Jizhou3
(1. Department of Physics, Heze University, Heze, China 274015; 2. School of Physics and Electronic Information, Huaibei Normal University, Huaibei, China 235000; 3. Department of Student Affairs, Shandong Youth University of Political Science, Ji’nan, China 250014)

The splitting energy at different levels and their corresponding wave functions for Nd3+in NdCuAs2and Nd2Ge2In (compounds of tetragonal crystal system) had been obtained by means of adopting simple point-charge crystal field model and simulating the curve of temperature dependence of the magnetic susceptibility’s reciprocal. Then the influence of crystalline electric field (CEF) effect on compound’s magnetic properties had been analyzed. Results showed that the ten-fold degenerate ground state4I9/2of Nd3+(Kramers ion) had been transformed into five doublet states with the influence of CEF. The CEF analysis suggests that the calculated results were in good agreement with the experimental data.

NdCuAs2; Nd2Ge2In; Magnetic Susceptibility; Crystalline Electric Field Effect

(编辑：王一芳)

O482.54

A

1674-3563(2011)02-0036-05

10.3875/j.issn.1674-3563.2011.02.007 本文的PDF文件可以从xuebao.wzu.edu.cn获得

2010-06-25

菏泽学院自然科学基金(XY08WL02)

王保松(1979- )，男，山东曹县人，讲师，硕士，研究方向：凝聚态物理