双钙钛矿氧化物体系的磁性和电输运性质

论文摘要

早在20世纪50年代,有关A2BB’O6型双钙钛矿氧化物的合成和物性研究已开始见诸报道。90年代末,在该体系中发现了一系列诸如非常规高温超导和室温隧穿型巨磁阻效应,从而使得双钙钛矿氧化物体系的研究在理论和实验两个方面都受到了高度的关注,迄今已成为凝聚态物理中一个十分活跃的前沿研究领域。1997年吴茂昆报道了一种不含铜氧面的双钙钛矿材料Sr2YRu1-xCuxO6 ,其超导温度为30 K,属于高温超导体,并且具有一些特殊的磁性质如低温磁有序和自旋玻璃态等。1998年Kobayashi等人报道了在双钙钛矿氧化物Sr2FeMoO6在室温低场下观测到显著的巨磁阻（GMR）效应,研究表明Sr2FeMoO6块体样品在室温300K表现出隧道磁电阻（TMR）达到10%,42K下达42%,电阻主要是由于晶界上的载流子散射造成的。居里温度为410K,远高于室温。相对其他已有的磁电阻材料,Fe/Mo双钙钛矿具有室温磁阻更大,相变温度更高的优点,成为最有可能在室温下得到应用的磁电阻材料而倍受关注。此外从理论角度上看,在双钙钛矿氧化物体系中具有不同的电子组态的B和B’位离子可以提供丰富的化学变换组合以及由此带来的离子间不同类型的交换相互作用,从而为各类电子强关联物理现象的探索研究提供了一个具有重大学术价值的研究对象。本论文回顾总结了已有关于A2BB’O6双钙钛矿型氧化物体系的若干重要的研究成果与最新进展。利用固相反应技术合成了Sr2YRu1-xZnxO6、Sr2FeRuO6、Sr2FeMnO6双钙钛矿型氧化物体系,并且对这三个体系的结构、磁性和电输运性质进行了系统的研究,获得了若干有价值的研究结果:首先,采用固相烧结工艺制备了Sr2YRu1-xZnxO6（x=0,0.1,0.2）陶瓷样品,采用多晶X射线和扫描电子显微镜技术对样品的物相成分、晶体结构和晶体表面形貌进行了表征与分析,将Sr2YRu1-xZnxO6（x=0,0.1,0.2）样品X射线衍射谱与理论模拟多晶样品X射线标准谱比较显示样品单相已经形成. X射线的实验结果表明:样品均形成了在a-b方向上具有双倍周期的钙钛矿结构,属于立方晶系,晶体空间群为Fm3m（No 225）.Sr2YRuO6原胞为立方结构（a=8.164?）,Y离子和Ru离子分别有序占据4a（0,0,0）和4b（1/2, 1/2, 1/2）原子等效位置.并且发现样品X射线衍射谱中的（111）衍射峰为B位Y离子和Ru离子有序占据时的特征峰.实验显示Zn离子取代Ru离子对晶胞参数影响很小.振动样品磁强计（VSM）测量了在常温下样品Sr2YRu1-xZnxO6（x=0,0.1,0.2）磁化强度与磁场强度的关系,样品在常温下显示顺磁性.计算得到Sr2YRuO6中Ru离子的有效磁矩为2.417μB.用标准的四端子测量方法测量了样品的电阻随温度的关系,样品电阻随掺杂量的增加而降低,并且实现了由反铁磁绝缘体向半导体转变.其后,成功制备了双钙钛矿结构Sr2FeRuO6样品,并且对其衍射数据进行了Rietveld拟合,得到双钙钛矿Sr2FeRuO6属于三斜晶系（space group I2/c）,其晶胞参数为a=5.508 ? ,b=5.474 ?, c=7.861 ?,β=90.127。由于没有观察到超晶格有序峰（111）和（311）,得到Fe离子和Ru离子无序的占据B位。室温下磁化曲线表明Sr2FeRuO6具有顺磁特征,并且其Neel温度远在室温以上。电阻率随温度变化曲线表明Sr2FeRuO6呈现典型的半导体行为,其禁带宽度约为0.23 eV。此外特别有意义的是发现Sr2FeRuO6在低温具有较大的磁阻效应（MR～20%, 120K）。最后,通过固相烧结工艺制备了双钙钛矿Sr2FeMnO6,经XRD分析得到Sr2FeMnO6为有序双钙钛矿,晶胞结构属于立方群（a=7.726 ?）,晶胞空间群为Fm3m （No. 225）。ESR测试,首次观测到改样品从反铁磁到顺磁的转变,奈耳温度被确定为475。在奈耳温度以上,电子ge f f值接近2,表明Fe离子显示+3价,电子在氧八面体晶体中结构为（ t2g3eg2 for 3d5:S = 5/2, L=0, J=5/2, g=2）,Mn离子的显示+5价（t2g2 eg0 for 3d2: S = 1, L=3, J=2, g=2/3）。双钙钛矿Sr2FeMnO6和Sr2FeMoO6有很多在结构、磁性上有很多特征。他们都在室温以上存在一个磁性转变温度。测试了该样品的电输运性质,从电输运性质上看样品显示半导体特性,其禁带宽度约为0.199 eV。,在温度为200K、磁场强度为1T时,样品的磁电阻MR～4.5%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 双钙钛矿的结构
• 1.3 双钙钛矿中的非常规超导体
• 1.4 双钙钛矿中的磁电阻现象
• 1.5 研究目的和研究内容
• 参考文献
• 第二章 样品制备及性能测试方法
• 2.1 制备方法
• 2.2 样品的性能测试手段
• c 的测定'>2.2.1 T_c的测定
• 2.2.2 多晶X 射线粉末衍射
• 2.2.3 表面微结构研究
• 2.2.4 室温磁化曲线测量
• 2.2.5 电子顺磁共振（ESR）
• 参考文献
• 2YRuO₆的结构、磁性和电输运性质'>第三章 双钙钛矿Sr₂YRuO₆的结构、磁性和电输运性质
• 3.1 引言
• 3.2 实验制备
• 3.3 实验结果讨论
• 2YRu_1-xZn_xO₆（x=0,0.1,0.2） 结构研究'>3.3.1 样品Sr₂YRu_1-xZn_xO₆（x=0,0.1,0.2） 结构研究
• 2YRu_1-xZn_xO₆（x=0,0.1,0.2） 表面形貌表征'>3.3.2 样品Sr₂YRu_1-xZn_xO₆（x=0,0.1,0.2） 表面形貌表征
• 2YRu_1-xZn_xO₆（x=0,0.1,0.2） 磁性研究'>3.3.3 样品Sr₂YRu_1-xZn_xO₆（x=0,0.1,0.2） 磁性研究
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 2FeRuO₆的磁性和电输运性质'>第四章 双钙钛矿Sr₂FeRuO₆的磁性和电输运性质
• 4.1 引言
• 4.2 实验制备
• 4.3. 结果和讨论
• 2FeRuO₆ 的结构研究'>4.3.1 样品Sr₂FeRuO₆的结构研究
• 2FeRuO₆ 的磁性研究'>4.3.2 样品Sr₂FeRuO₆的磁性研究
• 2FeRuO₆ 电输运性质研究'>4.3.3 样品Sr₂FeRuO₆电输运性质研究
• 本章小结
• 参考文献
• 2FeMnO₆ 的磁性和电输运性质'>第五章 双钙钛矿Sr₂FeMnO₆的磁性和电输运性质
• 5.1 引言
• 5.2 实验制备
• 5.3. 结果和讨论
• 2FeMnO₆ 结构研究'>5.3.1 样品Sr₂FeMnO₆结构研究
• 2FeMnO₆ 磁学性质'>5.3.2 样品Sr₂FeMnO₆磁学性质
• 2FeMnO₆ 电输运性质研究'>5.3.3 样品Sr₂FeMnO₆电输运性质研究
• 本章小结
• 参考文献
• 第六章 工作总结和展望
• 6.1 论文小结
• 6.2 后续工作的展望
• 研究生期间已发表和待发表的论文
• 致谢