鈣鈦礦錳氧化物中電荷有序和相分離現(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、軌道與晶格聲子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，同時在磁存儲、磁探測和磁傳感器等領域有著潛在的應用前景。近年來，鈣鈦礦錳氧化物以其超大巨磁阻(CMR)效應而引起了研究者的廣泛關注。人們先后用雙交換模型、極化子模型和

2、電-聲子相互作用模型等來解釋其物理本質，但是隨著研究的不斷深入，在該體系中還發(fā)現(xiàn)了電荷、軌道有序等現(xiàn)象，且相互之間存在強烈的耦合，導致體系中多相共存。這些物理現(xiàn)象在現(xiàn)有的理論框架下很難完全理解，要建立一個完整的理論模型還需要對該體系中的各種物理現(xiàn)象進行系統(tǒng)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，一直是研究各種磁性相變、結構相變、自旋漲落以及其它與電-聲子耦合有

3、關的電荷有序和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Nd1-xCaxMnO3及其A、B位摻雜體系在各種電磁和結構相變附近的超聲聲速溫度譜，發(fā)現(xiàn)了一系列的超聲異?，F(xiàn)象。結合電磁測試結果，對該體系中的各種交互作用進行了分析，給出了電-聲子相互作用和自旋-聲子相互作用的實驗證據(jù)，并進一步證明了Jahn-Teller電-聲子相互作用是產(chǎn)生電荷/軌道有序的重要原因之一。作為對比研究，我們還測量了層狀鈷氧化物YBaC

4、o2O5+δ在低溫下的超聲聲速和衰減的溫度譜，并對該體系中存在的超聲異常現(xiàn)象進行了深入分析。主要研究內容如下： 1.Nd1-xCaxMnO3中的電荷有序態(tài)與Jahn-Teller效應 高摻雜Nd1-xCaxMnO3的電荷有序相變溫度和長程反鐵磁有序溫度分別處在不同的溫區(qū)，因此是研究電荷有序態(tài)的物理機制以及電—聲子、自旋—聲子耦合作用的理想體系。我們系統(tǒng)地測量了Nd1-xCaxMnO3(x=0.4～0.8)低溫下(15～3

5、00K)的超聲聲速溫度譜，結合電磁性質的測量，研究了該體系中電荷有序態(tài)的穩(wěn)定性和Jahn-Teller耦合能隨Ca2+摻雜量的變化關系，并探討了Jahn-Teller晶格畸變模式和軌道序的相應變化規(guī)律。實驗發(fā)現(xiàn)：隨著體系中Ca2+離子摻雜量的改變，Jahn-Teller耦合能EJT和電荷有序相變溫度Tco具有相同的變化規(guī)律。當Ca2+離子摻雜量從x=0.4增加到x=0.6時，EJT和Tco均單調增加，并在x=0.6處同時達到最大(EJT

6、=17K，Tco=268K)，之后隨著Ca2+離子摻雜量的進一步增加，EJT和Tco開始逐漸減小。分析表明：在Nd1-xCaxMnO3體系中，電荷有序態(tài)的穩(wěn)定性與Jahn-Teller耦合能的變化密切相關，電荷有序態(tài)在Jahn-Teller耦合能最大的地方(x=0.6附近)達到最穩(wěn)定；同時Jahn-Teller畸變模式在x=0.6附近發(fā)生了從Q2到Q3模式的轉變；該研究結果表明Jahn-Teller效應可能在錳氧化物體系中電荷有序態(tài)形成

7、過程中起著重要作用。 2.R0.5Ca0.5MnO3(R=La，Nd)體系中相分離現(xiàn)象的超聲研究 系統(tǒng)研究了Nd3+逐步替代La0.5Ca0.5MnO3中La3+離子后體系的電磁輸運性質和超聲性質。發(fā)現(xiàn)隨著Nd3+的摻入，A位的尺度無序度增加，樣品在較低溫度下出現(xiàn)了絕緣體—金屬轉變，體系中電荷有序絕緣態(tài)和鐵磁金屬態(tài)共存；在電荷有序相變溫度Tco和絕緣體-金屬轉變溫度TMI之間，電荷輸運遵循可變程躍遷機制；在La0.5-x

8、NdxCa0.5MnO3(0≤x≤0.5)體系中，超聲聲速在電荷有序相變溫度附近出現(xiàn)了反常的軟化現(xiàn)象，表明了該體系在電荷有序/鐵磁金屬態(tài)共存的狀態(tài)下仍存在著強烈的電-聲子相互作用。通過對超聲實驗數(shù)據(jù)的擬合，我們得到了體系Jahn-Teller耦合能大小與A位尺度無序之間的關系，結果表明在該體系中Jahn-Teller效應與無序密切相關。 3.Mn位摻雜對Nd0.5Ca0.5MnO3中電荷有序態(tài)的影響研究 研究了磁性離子C

9、o3+和非磁性離子Al3+在Nd0.5Ca0.5MnO3的Mn位摻雜后體系的電磁輸運性質和超聲特性。發(fā)現(xiàn)Co的少量摻雜抑制了體系的電荷有序態(tài)，并誘導了體系從電荷有序絕緣態(tài)到鐵磁金屬態(tài)的轉變；隨著Co含量的增加，絕緣體-金屬轉變溫度TMI、鐵磁相變溫度Tc以及超聲反常溫度均向低溫移動，鐵磁金屬相被抑制，當Co含量達到10％時，體系進入絕緣態(tài)。Nd0.5Ca0.5Mn1-xCoxO3(x≤0.1)的超聲聲速在長程及短程電荷有序相變附近均出現(xiàn)

10、了異常。分析表明該體系為電荷有序絕緣相與鐵磁金屬相共存的非均質態(tài)。我們在相分離圖景下對這些現(xiàn)象進行了解釋，并討論了Co對Mn離子之間交換作用的影響。 另外，我們在Nd0.5Ca0.5MnO3中電荷有序相變和長程的反鐵磁有序相變附近也發(fā)現(xiàn)了超聲聲速和衰減異常，Tco附近的超聲異常表明體系中存在著強烈的電—聲子相互作用，該電—聲子耦合來源于Mn3+的Jahn-Teller效應。而低溫下另一個異常超聲衰減峰的出現(xiàn)被歸結為體系中反鐵磁相

11、與順磁相之間的相分離現(xiàn)象。隨著Al在Mn位的摻入，超聲聲速的最低點和衰減峰向低溫移動，表明體系中的電荷有序態(tài)和反鐵磁相均被部分抑制。 4.層狀鈷氧化物YBaCo2O5+δ的電磁輸運性質和超聲特性研究 系統(tǒng)研究了層狀鈷氧化物YBaCo2O5+δ單相多晶樣品的電磁性質和超聲性質。結果表明YBaCo2O5+δ在低溫下的導電機制符合可變程躍遷模型。在90K附近發(fā)現(xiàn)了超聲聲速和衰減的異?，F(xiàn)象，其原因被歸結為中等自旋態(tài)Co3+離子的