钙钛矿结构锰氧化物中的元素替代、电子向列有序与畴壁钉扎效应研究

论文摘要

以钙钛矿结构锰氧化物为代表的磁电阻材料,由于它们所表现出的庞磁电阻效应（CMR, Colossal Magnetoresistance）在提高磁存储密度以及磁敏感探测元件等领域具有十分广阔的应用前景,因而受到人们的广泛关注。同时,这类体系还表现出诸如磁场或电场等诱导的绝缘体—金属转变,电荷/轨道/自旋有序,以及相分离等十分丰富的物理内容,涉及到凝聚态物理的许多基本问题,对这些问题的微观物理机制的正确认识,必将对凝聚态物理的发展起到巨大的推动作用。本论文工作以具有ABO3典型钙钛矿结构的锰氧化物La-Mn-O体系为具体研究对象,采用宏观物性测量与微观结构分析相结合的方法,详细研究了LaMnO3母体中进行B位替代的LaMn1-xCuxO3体系和在此基础上进行A位替代的La1-yCayMn0.90Cu0.10O3体系中的元素替代效应、微观电子向列有序与宏观物性的关联、以及纳米尺度的畴壁钉扎效应,并对相分离锰氧化物强关联体系中的纳米尺度磁畴/畴壁结构、微观电子有序/无序转变、及其与材料的电/磁输运行为的关联效应等问题的理解有了更深层次的发展。本论文共分为六章,主要内容包括:第一章综述了磁电阻效应研究的历史、发展与现状,并简单介绍了庞磁电阻锰氧化物体系中丰富的物理现象及其潜在的应用前景。通过本章的介绍,我们将对磁电阻效应以及磁电子学有一个概括的了解,并对元素替代后生成的掺杂锰氧化物的基本物理性质,包括晶体结构、电子结构、磁特性、输运机制、有序相等基本物理问题有所认识;最后我们还就本文工作的研究目的和出发点进行了概括性描述。第二章介绍了实验样品的制备方法、结构分析与表征、物性测量的方法和基本原理,主要包括电、磁输运测量和样品形貌/粒度的观察与比较等。第三章研究了A位和B位元素替代对锰氧化物电、磁输运性质以及磁电阻效应的影响。主要包括两部分内容:第一部分研究了Cu替代Mn位对LaMnO3反铁磁母体性质的改变,研究了B位非磁性元素替代以及离子价态变化对锰氧化物磁性和磁电阻效应的影响。实验结果证明通过直接在反铁磁LaMnO3母体的锰位进行Cu替代可以导致双交换作用,并出现强铁磁性和大的磁电阻效应,并且当Cu的替代浓度为10%时,双交换作用和磁电阻效应最为明显。第二部分是在B位最佳掺杂的基础上,研究了La位被Ca替代的影响。重点讨论了相分离体系中不同的相以及近邻畴/团簇间的摩擦效应,以及由此引发的热磁曲线中大的热滞现象。这些研究成果对理解巨磁电阻的微观机制以及探索新型磁电阻材料都提供了重要的信息。第四章研究了La1-yCayMn0.90Cu0.10O3体系中的变磁性磁化台阶跳跃现象,并用电子向列有序理论对它进行了很好的解释,首次有针对性地从实验上证实了电子向列有序理论的有效性,这对于变磁性转变行为的研究以及重新认识相分离机制具有重要意义。第五章对普遍存在于微量元素替代锰氧化物体系中100 K以下的低温磁化反常现象进行了深入细致的研究,我们选取LaMn1-xCuxO3体系为具体研究对象,实验证实了纳米尺度畴壁钉扎效应的存在,并且发现畴壁钉扎现象消失的单畴颗粒的临界尺寸RC约为100 nm,这对于进一步明确低温下强关联锰氧化物体系中的复杂磁结构及其低温相图是很有帮助的。第六章是对本论文工作的总结,并简要叙述了工作的意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 强关联锰氧化物体系的基态物理性质
• 1.2.1 锰氧化物的晶体结构
• 1.2.2 锰氧化物的电子结构
• 1.2.3 锰氧化物中的电荷-自旋-轨道有序
• 1.3 锰氧化物CMR 效应的机理研究
• 1.4 锰氧化物体系中的奇异磁化反常现象
• 1.5 本论文工作的出发点和主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 样品制备和实验方法
• 2.1 样品制备
• 2.2 结构分析与表征
• 2.2.1 X-射线衍射分析原理
• 2.2.2 扫描电子显微镜
• 2.2.3 透射电子显微镜
• 2.3 物性测量的原理和方法
• 2.3.1 电输运测量方法
• 2.3.2 磁特性测量方法及原理（ACMS 和VSM）
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 A位和B 位元素替代对锰氧化物输运性质和磁电阻的影响
• 3.1 引言
• 3.2 实验测量方法
• 3物性的影响'>3.3 B位Cu替代对LaMnO₃物性的影响
• 3.3.1 样品制备和晶体结构
• 1-xCu_xO₃体系的磁特性'>3.3.2 LaMn_1-xCu_xO₃体系的磁特性
• 1-xCu_xO₃体系的导电行为和磁电阻效应'>3.3.3 LaMn_1-xCu_xO₃体系的导电行为和磁电阻效应
• 1-yCa_yMn_0.90Cu_0.10O₃体系'>3.4 A位Ca替代La_1-yCa_yMn_0.90Cu_0.10O₃体系
• 3.4.1 样品制备和晶体结构
• 1-yCa_yMn_0.90Cu_0.10O₃体系的磁特性'>3.4.2 La_1-yCa_yMn_0.90Cu_0.10O₃体系的磁特性
• 1-yCa_yMn_0.90Cu_0.10O₃体系的电输运行为'>3.4.3 La_1-yCa_yMn_0.90Cu_0.10O₃体系的电输运行为
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章电子向列有序诱导变磁性转变行为的实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 样品制备与实验方法
• 4.3 电子向列有序的理论模型
• 4.3.1 有效哈密顿量的建立
• 4.3.2 平均场理论下的近似
• 4.3.3 电子向列有序
• 1-yCa_yMn_0.90Cu_0.10O₃体系中的变磁性转变'>4.4 La_1-yCa_yMn_0.90Cu_0.10O₃体系中的变磁性转变
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章微量元素替代锰氧化物中的纳米尺度畴壁钉扎效应研究
• 5.1 引言
• 5.2 样品与实验
• 1-xCu_xO₃体系中的低温磁化反常现象'>5.3 LaMn_1-xCu_xO₃体系中的低温磁化反常现象
• 5.3.1 FC 和ZFC 直流磁化
• 5.3.2 交流磁化
• 5.3.3 弛豫效应
• 5.3.4 临界磁场
• 5.3.5 退磁曲线
• 1-xCu_xO₃体系中的畴壁钉扎效应'>5.4 LaMn_1-xCu_xO₃体系中的畴壁钉扎效应
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 结论与展望
• 攻读博士学位期间完成的论文
• 致谢