短程键序与金属三角晶格 GdZn$_3$P$_3$ 中 A 型反磁序的相互作用

我们研究了一种六方形 ScAl$_3$C$_3$ 型反磁体 GdZn$_3$P$_3$ 单晶。与反磁拓扑材料 EuM$_2$X$_2$（M=Zn, Cd；X=P, As）相比，GdZn$_3$P$_3$ 具有额外的 ZnP$_3$ 三角平面单元。值得注意的是，单晶 X 射线衍射分析显示，在 P63/mmc 空间群下，ZnP 三角平面层中的 Zn 和 P 原子具有显著的各向异位移参数。与此同时，扫描电子显微镜实验表明，ZnP 蜂窝格子上方和下方都存在间隙 P 原子，暗示 ZnP$_3$ 三角层内的 ZnP 键可能不稳定。就三角 Gd$^{3+}$ 层而言，磁导率 $\chi$(T)$和热容测量显示在$T_N$= 4.5 K 处出现长程反磁有序。$T_N$以下，平面$\chi$(T)$ 约为沿 $c$ 轴 $\chi$(T)$的 4 倍，表明磁各向异性很强。对低温$\chi$(T)$ 数据的 Curie-Weiss 拟合显示 ab 面内呈铁磁相互作用（$\theta_{CW}$ = 5.2 K），沿 c 轴呈反磁相互作用（$\theta_{CW}$ = -1 K），暗示其基态为 A 型反磁序。相应地，密度泛函理论计算显示 GdZn$_3$P$_3$ 为间接半导体，带隙为 0.27 eV， polycrystal 样品的电阻率测量结果支持了这一结论。有趣的是，GdZn$_3$P$_3$ 单晶表现出金属性导电，并在 $T_N$ 处出现异常，可能与上述间隙 P 原子观察结果相关。因此，我们的结果将 GdZn$_3$P$_3$ 体系确立为研究二维晶格框架下电荷载子与三角晶格磁性相互作用的具体实例，同时考虑短程键序的背景。