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第二相引入对庞磁电阻材料磁和电子输运性质的影响

2020-11-23阅读(114)

第二相引入对庞磁电阻材料磁和电子输运性质的影响

论文摘要

近年来,在形如Ln1-xTxMnO3（Ln是稀土元素,T是二价阳离子）的锰基钙钛矿多晶材料中的颗粒边界效应引起人们极大的研究兴趣。早期人们在这类材料中发现庞磁电阻效应（CMR）,但CMR仅仅出现在居里温度（Tc）附近狭窄的温度范围,而且需要几个特斯拉的高磁场才可以实现,因而限制了它的应用。最近,人们发现在锰基钙钛矿多晶材料中颗粒边界效应剧烈地影响其物理性能,最吸引人的特征就是在很低的磁场下就可以获得很高的磁电阻,而且低场磁电阻出现在整个绝缘体金属转变温度（Tp）以下宽的温度范围。一般认为,这种低场磁电阻是由于载流子通过颗粒边界的能量势垒发生自旋极化隧穿而引起的。颗粒边界的无序结构是载流子能量势垒的主要原因,因此对颗粒边界进行优化处理可以改善这类磁电阻,最有效的方法就是引入第二相形成锰基钙钛矿颗粒复合材料,然而在这类复合材料中增强的磁电阻往往发生在更低的温区,这是目前需解决的主要问题。本文以锰基钙钛矿氧化物La0.67T0.33MnO3（T=Ca, Sr）的颗粒复合系统为研究对象,通过采取不同的工艺制备方法和选取不同的第二相材料,讨论了第二相的引入对复合样品的结构、输运性质的影响。利用交替沉积的方法,我们成功制备了La2/3Sr1/3MnO3（LSMO）/CuO和LSMO/Al2O3多层颗粒膜。研究表明多层颗粒膜层数和第二相的含量对材料的电输运和磁电阻有很大的影响。对单层的纯LSMO薄膜,金属绝缘体转变温度Tp=236K,最大的磁电阻MR=23%;对40层的LSMO/CuO多层颗粒膜,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电阻发生在更高的温度。根据实验结果和理论计算,我们提出通过选择禁带宽度较高的绝缘体氧化物作为CMR氧化物复合体系中的第二相,可以提高增强的磁电阻发生的温度范围。我们还用水浴包覆的方法设计制备了La0.67Ca0.333Mn3（LCMO）/MgO颗粒复合体系,发现和纯LCMO相比,MgO的引入使得复合样品的低场磁电阻得以显著提高,在0.3T的外磁场下,纯LCMO的最大零场磁电阻值为8%,而MgO含量x=0.07的复合样品的零场磁电阻达到28%。另外,我们还发现LCMO原粉的颗粒尺寸对复合体系电输运和磁电阻也有较大的影响。结合对样品微观形貌的分析,我们认为复合样品中的这些输运性质和LCMO颗粒之间的联接性有关,在复合样品中观察到的两级磁转变现象进一步证明了这一点。然而,和其它LCMO复合系统一样,增强的磁电阻仅仅发生在Tp以下更低的温区。铁磁和铁电氧化物复合系统中强烈的磁电耦合效应为设计锰氧化物颗粒复合系统提供了一个新的思路。我们在低温900℃烧结的LCMO/BaTiO3复合体系样品中观察到不同于一般的LCMO复合体系的实验现象,随BaTiO3含量x的增加,样品的电阻率降低,Tp升高,从纯LCMO的180K增加到x=0.3复合样品的225K,这使得在复合样品中低场磁电阻和高场磁电阻在整个温区都有所增强。用铁磁和铁电之间的磁电耦合效应可以对这些实验现象加以解释。然而对高温1200℃烧结的样品由于BaTiO3进入LCMO颗粒表面的晶格,其电输运和磁电阻特性和普通的LCMO复合系统相似。对中温1100℃和1000℃烧结的样品,R-T曲线和MR-T曲线都出现两个峰,这是由于较高的烧结温度或较高的BaTiO3含量都使得部分的BaTiO3进入到颗粒表面的晶格,在这种情况下,颗粒复合系统中两类颗粒边界共存。另外,我们还研究了其它绝缘体氧化物作为第二相的锰氧化物颗粒复合系统。在LSMO/CeO2复合体系中,我们观察到样品的电阻率随温度降低的变化关系为: ,其中α是一个常数,对所有不同CeO2含量的LSMO/CeO2复合样品保持不变。基于表面磁化机理,我们对这一现象进行了初步的解释。对LCMO/SrO复合体系,和LCMO/MgO体系比较,Tp下降的较少,R-T曲线的峰也较为平缓,这使得增强的磁电阻发生在较高的温区,基于结构分析和磁性质的测量,我们认为这些不同是由于复合样品中两相之间的界面反应产生不同的界面相引起的。由此可见,不同的第二相材料和工艺制备方法对锰氧化物颗粒复合系统的颗粒边界效应有显著的影响,通过选择合适的第二相材料可以提高磁电阻增强效应所发生的温区。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 1 绪论
  • 1.1 稀土锰氧化物的结构和磁电阻效应
  • 1.2 多晶锰氧化物低场磁电阻的增强效应
  • 1.3 铁磁金属颗粒系统中电输运和磁电阻理论
  • 1.4 多铁体系中的磁电耦合效应
  • 1.5 本文的选题依据和研究意义
  • 1.6 本章小结
  • 2 样品制备原理与工艺流程
  • 2.1 磁控溅射法制备多层颗粒膜
  • 2.2 溶胶－凝胶法制备纳米粉末
  • 2.3 庞磁电阻颗粒复合系统的制备
  • 2.4 样品晶体结构、微观形貌、电和磁输运性能测试
  • 2.5 本章小结
  • 2/3Sr1/3MnO3/（CUO 或Al2O3）多层颗粒膜的制备及电子输运行为'>3 La2/3Sr1/3MnO3/（CUO 或Al2O3）多层颗粒膜的制备及电子输运行为
  • 3.1 多层颗粒膜的制备及结构分析
  • 2/3Sr1/3MnO3 单层多晶薄膜电输运的影响'>3.2 工艺参数对La2/3Sr1/3MnO3单层多晶薄膜电输运的影响
  • 2/3Sr1/3MnO3 多层颗粒膜电输运与磁电阻效应'>3.3 La2/3Sr1/3MnO3多层颗粒膜电输运与磁电阻效应
  • 3.4 本章小结
  • 4 MGO 为第二相的庞磁电阻复合系统
  • 4.1 样品的制备及结构分析
  • 4.2 LCMO/MGO 复合体系的磁行为
  • 4.3 LCMO/MGO 复合体系的电输运性能
  • 4.4 LCMO/MGO 复合体系的磁电阻
  • 4.5 LSMO/MGO 复合体系的电输运和磁电阻
  • 4.6 本章小结
  • 3铁电材料为第二相的庞磁电阻颗粒复合系统'>5 以BATIO3铁电材料为第二相的庞磁电阻颗粒复合系统
  • 5.1 样品制备及结构
  • 3复合体系'>5.2 低温烧结的LCMO/BATiO3复合体系
  • 3复合体系'>5.3 高温烧结的LCMO/BATiO3复合体系
  • 3复合体系'>5.4 中温烧结的LCMO/BATiO3复合体系
  • 5.5 本章小结
  • 6 其它氧化物作为第二相的庞磁电阻复合系统
  • 0.67Sr0.33MnO3/CeO2复合体系中的电输运和磁电阻'>6.1 La0.67Sr0.33MnO3/CeO2复合体系中的电输运和磁电阻
  • 0.67Ca0.33MnO3/SrO 和La0.67Ca0.33MnO3/MGO 复合体系的比较'>6.2 La0.67Ca0.33MnO3/SrO 和La0.67Ca0.33MnO3/MGO 复合体系的比较
  • 6.3 其它绝缘体氧化物作为第二相的LCMO 复合体系
  • 6.4 本章小结
  • 7 全文总结
  • 7.1 本论文的主要结果
  • 7.2 有待研究的问题
  • 致谢
  • 参考文献
  • 附录I 博士期间发表文章清单

    • 相关论文文献

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