第二相引入對(duì)龐磁電阻材料磁和電子輸運(yùn)性質(zhì)的影響.pdf

1、近年來(lái)，在形如Ln1-xTxMnO3（Ln 是稀土元素，T 是二價(jià)陽(yáng)離子）的錳基鈣鈦礦多晶材料中的顆粒邊界效應(yīng)引起人們極大的研究興趣。早期人們?cè)谶@類(lèi)材料中發(fā)現(xiàn)龐磁電阻效應(yīng)（CMR），但CMR 僅僅出現(xiàn)在居里溫度（Tc）附近狹窄的溫度范圍，而且需要幾個(gè)特斯拉的高磁場(chǎng)才可以實(shí)現(xiàn)，因而限制了它的應(yīng)用。最近，人們發(fā)現(xiàn)在錳基鈣鈦礦多晶材料中顆粒邊界效應(yīng)劇烈地影響其物理性能，最吸引人的特征就是在很低的磁場(chǎng)下就可以獲得很高的磁電阻，而且低場(chǎng)磁電阻出現(xiàn)

2、在整個(gè)絕緣體金屬轉(zhuǎn)變溫度(Tp)以下寬的溫度范圍。一般認(rèn)為，這種低場(chǎng)磁電阻是由于載流子通過(guò)顆粒邊界的能量勢(shì)壘發(fā)生自旋極化隧穿而引起的。顆粒邊界的無(wú)序結(jié)構(gòu)是載流子能量勢(shì)壘的主要原因，因此對(duì)顆粒邊界進(jìn)行優(yōu)化處理可以改善這類(lèi)磁電阻，最有效的方法就是引入第二相形成錳基鈣鈦礦顆粒復(fù)合材料，然而在這類(lèi)復(fù)合材料中增強(qiáng)的磁電阻往往發(fā)生在更低的溫區(qū)，這是目前需解決的主要問(wèn)題。 本文以錳基鈣鈦礦氧化物L(fēng)a0.67T0.33MnO3(T=Ca, Sr

3、)的顆粒復(fù)合系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過(guò)采取不同的工藝制備方法和選取不同的第二相材料，討論了第二相的引入對(duì)復(fù)合樣品的結(jié)構(gòu)、輸運(yùn)性質(zhì)的影響。 利用交替沉積的方法，成功制備了La2/3Sr1/3MnO3(LSMO)/CuO 和LSMO/Al2O3 多層顆粒膜。研究表明多層顆粒膜層數(shù)和第二相的含量對(duì)材料的電輸運(yùn)和磁電阻有很大的影響。對(duì)單層的純LSMO 薄膜，金屬絕緣體轉(zhuǎn)變溫度Tp＝236K，最大的磁電阻MR＝23％；對(duì)40 層的LSMO/Cu

4、O 多層顆粒膜，Tp 降到174K，但最大MR 增加到31％。和CuO 相比Al2O3 的引入使得增加的磁電阻發(fā)生在更高的溫度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算，提出通過(guò)選擇禁帶寬度較高的絕緣體氧化物作為CMR氧化物復(fù)合體系中的第二相，可以提高增強(qiáng)的磁電阻發(fā)生的溫度范圍。 采用水浴包覆的方法設(shè)計(jì)制備了La0.67Ca0.33Mn3(LCMO)/MgO 顆粒復(fù)合體系，發(fā)現(xiàn)和純LCMO 相比，MgO 的引入使得復(fù)合樣品的低場(chǎng)磁電阻得以顯著提高

5、，在0.3T 的外磁場(chǎng)下，純LCMO 的最大零場(chǎng)磁電阻值為8％，而MgO 含量x＝0.07 的復(fù)合樣品的零場(chǎng)磁電阻達(dá)到28％。另外，發(fā)現(xiàn)LCMO 原粉的顆粒尺寸對(duì)復(fù)合體系電輸運(yùn)和磁電阻也有較大的影響。結(jié)合對(duì)樣品微觀形貌的分析，研究認(rèn)為復(fù)合樣品中的這些輸運(yùn)性質(zhì)和LCMO 顆粒之間的聯(lián)接性有關(guān)，在復(fù)合樣品中觀察到的兩級(jí)磁轉(zhuǎn)變現(xiàn)象進(jìn)一步證明了這一點(diǎn)。然而，和其它LCMO 復(fù)合系統(tǒng)一樣，增強(qiáng)的磁電阻僅僅發(fā)生在Tp 以下更低的溫區(qū)。 鐵磁

6、和鐵電氧化物復(fù)合系統(tǒng)中強(qiáng)烈的磁電耦合效應(yīng)為設(shè)計(jì)錳氧化物顆粒復(fù)合系統(tǒng)提供了一個(gè)新的思路。在低溫900℃燒結(jié)的LCMO/BaTiO3 復(fù)合體系樣品中觀察到不同于一般的LCMO 復(fù)合體系的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，隨BaTiO3 含量x 的增加，樣品的電阻率降低，Tp 升高，從純LCMO 的180K 增加到x＝0.3 復(fù)合樣品的225K，這使得在復(fù)合樣品中低場(chǎng)磁電阻和高場(chǎng)磁電阻在整個(gè)溫區(qū)都有所增強(qiáng)。用鐵磁和鐵電之間的磁電耦合效應(yīng)可以對(duì)這些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象加以解釋。然

7、而對(duì)高溫1200℃燒結(jié)的樣品由于BaTiO3 進(jìn)入LCMO 顆粒表面的晶格，其電輸運(yùn)和磁電阻特性和普通的LCMO 復(fù)合系統(tǒng)相似。對(duì)中溫1100℃和1000℃燒結(jié)的樣品，R-T 曲線和MR-T 曲線都出現(xiàn)兩個(gè)峰，這是由于較高的燒結(jié)溫度或較高的BaTiO3 含量都使得部分的BaTiO3 進(jìn)入到顆粒表面的晶格，在這種情況下，顆粒復(fù)合系統(tǒng)中兩類(lèi)顆粒邊界共存。 另外，研究了其它絕緣體氧化物作為第二相的錳氧化物顆粒復(fù)合系統(tǒng)。在LSMO/Ce

8、O2 復(fù)合體系中，觀察到樣品的電阻率隨溫度降低的變化關(guān)系為：) ) ( exp( 2p Tp T T ? ? = αρρ，其中α是一個(gè)常數(shù)，對(duì)所有不同CeO2 含量的LSMO/CeO2復(fù)合樣品保持不變?；诒砻娲呕瘷C(jī)理，對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了初步的解釋。對(duì)LCMO/SrO 復(fù)合體系，和LCMO/MgO 體系比較，Tp 下降的較少，R-T 曲線的峰也較為平緩，這使得增強(qiáng)的磁電阻發(fā)生在較高的溫區(qū)，基于結(jié)構(gòu)分析和磁性質(zhì)的測(cè)量，我們認(rèn)為這些不同是由于