鈣鈦礦錳氧化物電荷有序體系的磁性和相關(guān)物性研究.pdf

1、正如我們所知道的，自從在鈣鈦礦錳氧化物中發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng)以來，有關(guān)它的研究已經(jīng)成為當(dāng)前強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系的一個研究熱點。由于巨磁電阻效應(yīng)在工業(yè)上具有廣泛的應(yīng)用背景，例如信息存儲領(lǐng)域中的磁記錄，磁隨機(jī)存儲，磁傳感器，以及磁制冷方面的應(yīng)用；并且更重要的是，從基礎(chǔ)研究上來講，這類強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系表現(xiàn)出了豐富的物理內(nèi)容，如順磁-鐵磁相變伴隨絕緣-金屬相變，電荷有序，軌道有序，相分離，Jahn-Teller畸變，以及各種相互作用之間的耦合，這些復(fù)雜的現(xiàn)象正

2、是激發(fā)物理學(xué)研究人員的興趣所在；所以對于這一體系的研究和有關(guān)巨磁電阻效應(yīng)的微觀機(jī)制的探索，不僅對當(dāng)前的自旋電子學(xué)的應(yīng)用有重要意思，而且會對整個凝聚態(tài)物理的許多相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展起到極大的促進(jìn)作用。 本論文通過雙摻雜對鈣鈦礦錳氧化物電荷有序體系的研究，探索了其形成機(jī)制，特別是對這一體系中發(fā)現(xiàn)的不穩(wěn)定性行為進(jìn)行了深入分析和理解。部分研究結(jié)果已經(jīng)在國際刊物上發(fā)表。 整個論文分為六章。 第一章全面介紹鈣鈦礦錳氧化物的研究現(xiàn)狀

3、和發(fā)展。其中首先回顧了錳氧化物的各種性質(zhì)，包括晶體結(jié)構(gòu)，磁結(jié)構(gòu)，電子結(jié)構(gòu)，輸運行為，巨磁效應(yīng)，有序相，相分離，理論模型。最后總結(jié)了這一體系的研究結(jié)果和期待解決的問題。 第二章主要討論半摻雜錳氧化物電荷有序體系的穩(wěn)定性問題。因為目前大多數(shù)不穩(wěn)定性主要是存在于Mn位摻雜的短程電荷有序中，這似乎短程有序是產(chǎn)生這一現(xiàn)象的關(guān)鍵；然后我認(rèn)為問題的關(guān)鍵不是短程有序而是不同相的競爭引起的應(yīng)力作用的結(jié)果。為此我們在Nd0.5Sr0.5MnO3電荷

4、有序化合物中用微量的Ca替換Sr，這既不會影響到長程有序的形成但是同時由于離子的替代導(dǎo)致的A位無序增加引起了相分離的出現(xiàn)。正如所預(yù)計的那樣，我們在長程電荷有序中也發(fā)現(xiàn)了磁化強(qiáng)度和電阻性質(zhì)隨熱循環(huán)次數(shù)的增加而變化的行為。由于不同相的存在和不同相之間的競爭使得在界面處存在著很大的應(yīng)力，它改變了體系的微結(jié)構(gòu)。所以在隨后的循環(huán)中，我們只能測到類似的物理行為而不能完全重復(fù)前面的結(jié)果。 第三章研究Ga摻雜對Nd0.55Sr0.45MnO3的

5、磁性和輸運的影響。實驗發(fā)現(xiàn)Ga3+離子的替代沒有引起晶格結(jié)構(gòu)的改變，但是導(dǎo)致B位的無序產(chǎn)生。在中間摻雜區(qū)域，由于不均勻鐵磁團(tuán)簇的出現(xiàn)，Griffithsphase的行為被觀察到。隨Ga3+離子的增加，載流子自塌陷形成磁極化子。由于無序引起了氧的亞晶格的畸變，從而改變了聲子態(tài)密度，為此我們從拉曼光譜上觀察到一個新的振動模。Ga3+離子的替代穩(wěn)定了軌道有序排列；引起載流子的局域。所以在室溫下形成了磁極化子。 第四章我們系統(tǒng)研究了Nd

6、0.5(1+x)Ca0.5(1-x)Mn1-xCrxO3化合物中Cr3+離子雙摻雜對電荷有序體系的影響。盡管Cr3+離子的出現(xiàn)使得長程的電荷有序相被破壞，但是由于利用的雙摻雜方法從而保證Mn3+與Mn4+的比例不變，使得短程的有序相存在系統(tǒng)，呈現(xiàn)一個電荷有序融化的過程。在這一體系中，我們發(fā)現(xiàn)了明顯的相分離行為。不同于以前的報道，我們發(fā)現(xiàn)在短程電荷有序體系中形成的反鐵磁耦合不是變強(qiáng)而是減弱。隨著溫度的降低，反鐵磁相會轉(zhuǎn)變到鐵磁相。更為有趣

7、是在很低溫度下，我們觀測到磁上翹行為隨C，離子濃度增加而變得越來越顯著。通過理論計算，我們可以看到了這一行為不是來自于增加的Nd3+離子的順磁貢獻(xiàn)而是Cr3+離子和Mn3+離子的超交換作用所引起的鐵磁相互作用。此外對于未摻雜的Nd0.5Ca0.5MnO3樣品，從我們的實驗結(jié)果分析，第一次提出形成長程反鐵磁相的溫度應(yīng)該是在35K而不是目前認(rèn)同的150K。 第五章我們在Nd0.5Ca0.5MnO3電荷有序化合物里通過雙摻雜引入非磁的

8、Ti4+離子。隨著Ti摻雜的增加，電荷有序相逐漸消失，而且長程的電荷有序反鐵磁相轉(zhuǎn)變成短程的電荷有序反鐵磁相。通過實驗發(fā)現(xiàn)，變磁性的轉(zhuǎn)變是這一短程體系的普遍特征。這樣的CO-AFM相是不穩(wěn)定的，它會造成磁化記憶效應(yīng)。同時，我們利用反鐵磁相到鐵磁相的相變成功地解釋了在一個反鐵磁背景中，非磁的Ti4+離子摻雜所導(dǎo)致的鐵磁行為。 第六章我們對Sr1-xLaxFe1-xMnxO3體系的磁和輸運性質(zhì)進(jìn)行了的研究。隨著摻雜量x的增加，鐵磁性

9、逐漸增強(qiáng)，同時在低溫區(qū)域出現(xiàn)團(tuán)簇玻璃態(tài)。電子自旋共振譜表明有部分鐵磁相從順磁相背景中分離出來。通過M(o)ssbauer譜測量我們發(fā)現(xiàn)在輕摻雜的樣品中只有Fe4+存在，而在中度摻雜的樣品中還有Fe3+存在。電阻曲線表現(xiàn)出反常的輸運行為：開始時電阻隨著x的增加而增大然后開始減小。在x≤0.5的樣品中電子輸運行為是由熱激發(fā)模型決定的，而在x≥0.7的樣品中輸運行為是由可變程躍遷模型決定的。不同的輸運機(jī)制可以用Fe/Mn之間的相互作用來解釋。