鈣鈦礦錳氧化物中的電荷有序態(tài)及相關(guān)物性.pdf

1、堿土金屬元素離子摻雜的鈣鈦礦型錳氧化物R<,1-x>A<,X>MnO<,3>因其表現(xiàn)出的超大磁電阻(colossalmagnetoresistance,CMR)效應(yīng)和電荷有序態(tài)(charge-orderedstate)而受到人們的關(guān)注.由于該體系是自旋、電荷、軌道和晶格自由度高度關(guān)聯(lián)的強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系,各種相互作用(如雙交換作用、電—聲子相互作用、自旋—聲子相互作用等)以及它們之間的相互競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致了復(fù)雜的電磁和結(jié)構(gòu)相圖以及各種有趣的物理現(xiàn)象如電

2、荷、自旋和軌道有序,相分離等.該類材料在低摻雜(0.2≤x≤0.5)時(shí)通常會(huì)出現(xiàn)的從順磁絕緣態(tài)到鐵磁金屬態(tài)的轉(zhuǎn)變以及與之相關(guān)的CMR效應(yīng)基本上能在雙交換作用模型和Jahn-Teller電—聲子相互作用而形成的極化子效應(yīng)的基礎(chǔ)上得以較好地解釋,然而在高摻雜(0.5≤x≤0.875)時(shí)出現(xiàn)的電荷、自旋和軌道有序產(chǎn)生的物理機(jī)制一直是一個(gè)廣泛研究且尚未解決的問題.電子之間的長(zhǎng)程庫(kù)侖相互作用和(或)Jahn-Teller電—聲子相互作用被認(rèn)為是產(chǎn)

3、生電荷、自旋和軌道有序可能的主要原因,超交換作用也被認(rèn)為對(duì)于穩(wěn)定電荷有序態(tài)有十分重要的作用.該論文正是圍繞著錳氧化物電荷有序態(tài)產(chǎn)生的物理機(jī)制而展開研究的,我們選取典型的具有電荷有序態(tài)的R<,1-x>Ca<,x>MnO<,3>(R=La,Pr)作為研究對(duì)象,采用各種實(shí)驗(yàn)手段研究了電荷有序態(tài)下的合作Jahn-Teller效應(yīng)與電荷有序態(tài)穩(wěn)定性、晶體結(jié)構(gòu)、磁結(jié)構(gòu)、軌道序、相分離等的相互關(guān)系,試圖去揭示該類材料電荷有序態(tài)產(chǎn)生的物理本質(zhì).該論文的

4、章節(jié)安排如下:第一章介紹了鈣鈦礦型錳氧化物的研究歷史;晶體結(jié)構(gòu);動(dòng)態(tài),靜態(tài)和合作Jahn-Teller效應(yīng);磁結(jié)構(gòu)和軌道序;電子結(jié)構(gòu)和雙交換作用;金屬—絕緣體轉(zhuǎn)變以及與之相關(guān)的一些物理效應(yīng)如氧同位素效應(yīng),巨壓阻效應(yīng),磁致伸縮等;電荷有序態(tài)和電荷有序態(tài)下的雙條紋相和"Wigner-crystal"相;電荷有序相變時(shí)的一些物理性質(zhì)的異常行為;影響電荷有序態(tài)穩(wěn)定性的因素;最后介紹了La<,1-x>A<,x>MnO<,3>(A=Ca,Sr)和R

5、<,1-x>A<,x>MnO<,3>(R=Pr,Sm,A=Ca,Sr)體系的電磁相圖.第二章是該論文的重點(diǎn),主要通過測(cè)量La<,1-x>Ca<,x>MnO<,3>(0.5≤x≤0.9)體系在強(qiáng)磁場(chǎng)下的電磁輸運(yùn)性質(zhì),超聲聲速和衰減,內(nèi)耗與切變模量,比熱,晶格常數(shù)等物性來研究電荷有序態(tài)下的合作Jahn-Teller效應(yīng)與電荷有序態(tài)穩(wěn)定性、晶體結(jié)構(gòu)、磁結(jié)構(gòu)、軌道序、相分離等的相互關(guān)系.我們發(fā)現(xiàn)La<,1-x>Ca<,x>MnO<,3>在電荷有

6、序態(tài)下存在大的合作Jahn-Teller晶格畸變和強(qiáng)的電—聲子相互作用,Jahn-Teller晶格畸變的大小和電—聲子相互作用的強(qiáng)度是隨著Ca<'2+>離子摻雜量的變化而變化,在x=0.75左右它們都達(dá)到最大值,這種大的合作Jahn-Teller晶格畸變有利于穩(wěn)定電荷有序態(tài).特別是,我們發(fā)現(xiàn)La<,1-x>Ca<,x>MnO<,3>在電荷有序態(tài)下隨著Ca<'2+>離子摻雜量從x=0.5增大到了x=0.75,合作Jahn-Teller晶格

7、畸變的畸變模式從Q<,2>模式逐漸轉(zhuǎn)變到Q<,3>模式,這種晶格畸變模式的轉(zhuǎn)變直接導(dǎo)致了電荷有序態(tài)下的磁結(jié)構(gòu)從CE-型轉(zhuǎn)變至C-型,軌道序從3d<,x<'2>-y<'2>>/3d<,y<'2>-r<'2>>轉(zhuǎn)變到3d<,z<'2>-r<'2>>,晶體結(jié)構(gòu)從壓縮的正交對(duì)稱性轉(zhuǎn)變到拉伸的正交對(duì)稱性.與此同時(shí),體系的鐵磁性減弱,相分離傾向減小,晶格畸變?cè)龃?電荷有序態(tài)穩(wěn)定性增強(qiáng).這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果強(qiáng)烈表明合作Jahn-Teller效應(yīng)是La<,1-

8、x>Ca<,x>MnO<,3>中電荷有序態(tài)產(chǎn)生的主要驅(qū)動(dòng)力和物理本質(zhì).第三章主要研究Pr<,1-x>Ca<,x>MnO<,3>(0.5≤x≤0.875)體系在電荷有序態(tài)下的合作Jahn-Teller效應(yīng)與電荷有序態(tài)穩(wěn)定性之間的關(guān)系.通過測(cè)量該體系在強(qiáng)磁場(chǎng)下的電輸運(yùn)、結(jié)構(gòu)和超聲性質(zhì),我們發(fā)現(xiàn)Pr<,1-x>Ca<,x>MnO<,3>中電荷有序態(tài)的穩(wěn)定性與合作Jahn-Teller晶格畸變的大小有十分密切的聯(lián)系.Pr<,1-x>Ca<,x>

9、MnO<,3>在電荷有序態(tài)下的導(dǎo)電機(jī)制可以用可變程躍遷模型進(jìn)行很好地描述.第四章主要研究Nd<,0.5>Sr<,0.5>MnO<,3>在金屬—絕緣體轉(zhuǎn)變和電荷有序相變附近的超聲行為.我們發(fā)現(xiàn)在金屬—絕緣體轉(zhuǎn)變和電荷有序相變溫度以下均出現(xiàn)巨大的聲速硬化,前者與居里溫度以下的自旋—聲子耦合和Jahn-Teller晶格畸變的減小有密切關(guān)系,而后者是由于在電荷有序態(tài)下形成了長(zhǎng)程的靜態(tài)Jahn-Teller晶格畸變(即合作Jahn-Teller晶