论文标题：Effect of the Non-Magnetic Ion Doping on the Magnetic Behavior of MgCr₂O₄

论文链接：https://www.mdpi.com/2673-8724/5/3/19

期刊名：Magnetism

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/magnetism

一、引言

MgCr₂O₄是典型的三维海森堡烧绿石反铁磁体，具有显著的几何磁阻挫效应，同时存在自旋波与自旋共振两类磁激发模式，但其自旋共振的物理起源仍存在学术争议。通过非磁性离子掺杂抑制长程磁有序，能够在中子散射实验中有效分离自旋共振信号，排除自旋波干扰。本文系统研究Ga³⁺和Cd²⁺两种非磁性离子掺杂对MgCr₂O₄晶体结构与磁行为的影响，揭示位点占据、晶格畸变与磁基态演化的内在关联，为磁激发机理研究提供优质材料体系。

二、材料与方法

采用高温固相反应法合成Ga³⁺、Cd²⁺掺杂的MgCr₂O₄多晶样品，通过减少1% Cr₂O₃原料配比获得纯相产物。

掺杂体系包括：Mg(Cr_1-xGa_x)₂O₄（x = 0, 0.05, 0.10, 0.15, 0.20）与Mg_1-xCd^xCr₂O₄（x = 0, 0.05, 0.10, 0.15, 0.20）。

结构表征采用室温X射线衍射（XRD）与中子粉末衍射（NPD），通过Rietveld方法精修确定晶体结构与离子占位；磁性测试使用PPMS系统测量零场冷却（ZFC）与场冷却（FC）直流磁化率，利用居里–外斯定律分析磁相互作用强度。

三、分析与结果

结构分析表明，Ga³⁺同时占据A位Mg²⁺格位与B位Cr³⁺格位，造成阳离子混排与晶格反常收缩；Cd²⁺仅选择性取代A位Mg²⁺，因离子半径差异导致晶格单调膨胀。两种掺杂均保持立方尖晶石结构（空间群Fd-3m），无杂相生成。

图为Cd²⁺掺杂MgCr₂O₄引起磁性能转变

磁性结果显示，Ga³⁺掺杂使体系从反铁磁有序逐步转变为自旋玻璃态，20%掺杂可完全抑制长程反铁磁有序；Cd²⁺掺杂在低浓度即诱导明显自旋玻璃行为，10%掺杂即可完全淬灭反铁磁相变。Ga³⁺通过磁性格子稀释与位点无序调控磁性，Cd²⁺则通过晶格畸变改变交换耦合路径，不破坏Cr³⁺构成的烧绿石磁格子。

四、讨论

非磁性离子掺杂可有效调控MgCr₂O₄的磁基态，实现反铁磁有序→自旋玻璃→顺磁的连续转变。Ga³⁺在MgCr₂O₄中呈现双位点占据特征，与ZnCr₂O₄中仅占据B位的行为明显不同，是导致晶格收缩与磁有序快速抑制的关键。Cd²⁺仅占据A位，低掺杂即可破坏长程磁有序，同时保留完整的Cr³⁺磁四面体网络。掺杂引入的位点无序与晶格畸变共同削弱Cr³⁺间反铁磁超交换作用，增强体系磁阻挫，为孤立研究自旋共振激发创造条件。

五、展望与结论

结论：Ga³⁺与Cd²⁺掺杂均可调控MgCr₂O₄的晶体结构与磁行为，其中Ga³⁺为双位点取代、Cd²⁺为单位点取代；10% Cd掺杂MgCr₂O₄可完全抑制长程反铁磁有序，且保留完整Cr³⁺磁格子，是研究自旋共振激发的理想样品。

展望：未来可基于最优掺杂体系开展非弹性中子散射实验，直接揭示自旋共振起源；结合第一性原理计算阐明掺杂对磁交换作用的微观机制；拓展更多非磁性离子掺杂方案，丰富几何阻挫磁体的调控手段。

引用格式：

Zhou, F.; He, Z.; Cheng, D.; Ge, H.; Zhang, W.; Wang, X.; Zhou, P.; Luo, W.; Fu, Z.; Liu, X.; et al. Effect of the Non-Magnetic Ion Doping on the Magnetic Behavior of MgCr₂O₄ Magnetism 2025, 5, 19.

期刊介绍

主编：Dr. Gerardo F. Goya，University of Zaragoza, Spain

Magnetism (ISSN 2673-8724) 是聚焦磁学与磁性材料的国际开放获取期刊，致力于发表磁学基础理论、材料制备、性能调控及应用研究的最新进展，已被 Scopus、ESCI 等重要数据库收录。

2024 CiteScore：2.0

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Acceptance to Publication：4.8 Days