鈣鈦礦型鐵氧化物中電荷有序現(xiàn)象的超聲研究.pdf

1、具有鈣鈦礦結構的過渡金屬氧化物是一種典型的強關聯(lián)體系，該體系中的電子、自旋、軌道與晶格聲予之間存在著強烈的相互作用，并因此導致了一系列奇特的物理現(xiàn)象，如高溫超導電性、絕緣體—金屬轉變、巨磁電阻效應、電荷有序和相分離現(xiàn)象等。這些物理現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)不但極大地豐富了凝聚態(tài)物理的內涵，同時也有著潛在的應用價值。近年來，鈣鈦礦型鐵氧化物La<,1-x>Sr<,x>FeO<,3>以其復雜的電荷有序態(tài)和奇特的電荷不均勻現(xiàn)象而引起了人們的廣泛關注。在該體系

2、中存在著Fe<'3+>、Fe<'4+>、Fe<'5+>之間復雜的相互作用，但仍有很多物理現(xiàn)象未得到徹底解釋。例如La<,1/3>Sr<,2/3>FeO<,3>的電荷有序相變是否伴隨著電—聲子相互作用，低摻雜區(qū)域是否存在著局域的電荷有序態(tài)等等。因此需要對該體系進行系統(tǒng)的深入研究，徹底弄清電荷、自旋、軌道等之間的關聯(lián)和相互作用規(guī)律。 超聲聲速與衰減對固體材料中的各種相變非常敏感，一直是研究各種磁相變、結構相變、自旋漲落以及電荷有序轉

3、變和Jahn-Teller效應等物理現(xiàn)象的一種有效方法。本論文系統(tǒng)地測量了La<,1-x>Sr<,x>FeO<,3>(1/3≤x≤0．9)及其A、B位摻雜體系的超聲聲速溫度譜，發(fā)現(xiàn)了一系列的超聲異?，F(xiàn)象。并結合電磁測量結果進行了分析，給出了Fe<'4+>的Jahn-Teller效應和Fe<'3+>、Fe<'5+>呼吸模式晶格扭曲的實驗證據(jù)，進一步表明了高價鐵離子Fe<'4+>、Fe<'5+>的穩(wěn)定性是理解La<,1-x>Sr<,x>Fe

4、O<,3>體系中復雜物理現(xiàn)象的關鍵。本論文的章節(jié)安排如下： 第一章介紹了鈣鈦礦型鐵氧化物La<,1-x>Sr<,x>FeO<,3>的研究歷史；晶體結構；磁結構；電子結構；Jahn-Teller效應；電荷有序相變；以及目前仍需要解決的問題和本論文研究思路。 第二章介紹了實驗方法。 第三章是本論文的重點，主要通過測量La<,1-x>Sr<,x>FeO<,3>(1/3≤x≤0．9)體系的電磁輸運性質，超聲聲速和衰減等物

5、性來研究其復雜的電荷有序態(tài)。我們在La<,1/3?Sr<,2/3>FeO<,3>中發(fā)現(xiàn)了兩個明顯的聲速異常：電荷有序溫度附近的聲速異常起源于Fe<'4+>的Jahn-Teller效應導致的電一聲子相互作用；電荷有序溫度以下的聲速軟化則起源于Fe<'3+>和Fe<'5+>由于離子半徑不同導致的呼吸模式的晶格扭曲。隨著Sr<'2+>離子摻雜量的進一步增加，電荷有序溫度向低溫移動，電荷有序溫度處的超聲聲速硬化逐漸較小。當Sr<'2+>離子摻雜

6、量x>0．8以后，電荷有序—電荷不均勻相變消失，樣品中只存在著反鐵磁相變。我們在Sr<'2+>離子低摻雜區(qū)域內(1/3≤x≤0．5)也觀察到了奇特的聲速異常，同時伴隨著超聲衰減峰，而電阻率卻沒有發(fā)生躍遷，分析認為這是由于Fe<'4+>的Jahn-Teller效應造成的，從而為局域電荷有序態(tài)的存在提供了有力的實驗證據(jù)。這些實驗結果都強烈的表明電一聲子相互作用在La<,1-x>Sr<,x>FeO<,3>的電荷有序態(tài)形成過程中起著十分重要的作

7、用。最后通過對整個體系超聲、電磁測量結果的系統(tǒng)分析，我們給出了La<,1-x>Sr<,x>FeO<,3>的簡單相圖。 第四章主要研究了Fe位摻雜對La<,1-x>Sr<,x>FeO<,3>中電荷有序態(tài)的影響。我們發(fā)現(xiàn)少量Co、Cr、Mn的摻雜均使體系的電荷有序相變溫度向低溫移動，并且超聲聲速在低溫下的軟化現(xiàn)象消失。分析認為這是由于Co的摻雜引入了巡游電子，破壞了p．型高價鐵離子Fe<'5+>的穩(wěn)定性；而Cr和Mn的摻雜則引入了晶

8、格扭曲，削弱了Fe<'5+>和O<'2->之間的雜化作用，這些都將導致電荷不均勻現(xiàn)象的消失。通過對Cr、Mn摻雜體系縱向模量的理論擬合，進一步證明了起源于Fe<'4+>的Jahn-Teller效應是導致La<,1-x>Sr<,x>FeO<,3>中電荷有序溫度附近聲速異常的原因。 第五章主要研究了R<,1/3>Sr<,2/3>FeO<,3>(R=La，Pr，Gd)體系的電磁、超聲特性。發(fā)現(xiàn)隨著R位離子半徑的減小，樣品中Fe-O-F

9、e鍵角逐漸變小，電荷有序相變向低溫移動，直至完全消失(R=Gd)。對于R=La，Pr兩個樣品的聲速擬合進一步證明了起源于Fe<'4+>的Jahn-Teller效應是導致鐵氧化物中電荷有序溫度附近聲速異常的原因。電荷有序相變隨A位離子半徑的變化表明鐵氧化物中電荷有序態(tài)的穩(wěn)定性不僅依賴呼吸模式的晶格扭曲，也與Fe<'5+>的穩(wěn)定性有著密切的聯(lián)系。而后者強烈的依賴Fe、O之間的雜化作用，因而可以通過調節(jié)容忍因子進行調控。 最后，在第六