钙钛矿锰氧化物A位掺杂效应研究

论文摘要

对钙钛矿结构过渡金属氧化物的研究始于上个世纪五六十年代。近十几年来对该体系研究的复兴，主要是由于高温超导氧化物和CMR效应的发现。以锰氧化合物为代表的巨磁阻材料，由于他们所表现出的超大巨磁阻效应（ColossalMagnetoresistance）在提高磁存储密度、研究磁致冷器件以及磁敏探测元件上具有十分广泛的应用前景，因而受到人们的广泛关注。更重要的是，在物理学基础研究上，这类材料表现出丰富的物理内容，比如由磁场或光诱导的绝缘体-金属转变、电荷有序、轨道有序、相分离等，这些都激发着人们去探索并成为了当前物理研究中的热点之一。对超大磁电阻效应微观机制的研究，将会对凝聚态物理的许多领域的发展和完善起到重要的推动作用。在本论文中，我们通过对钙钛矿锰氧化物进行A位掺杂研究，对这类材料的物性以及电荷有序行为进行了一些探索。本论文分为五章。第一章综述了磁电阻效应的历史与研究进展。介绍了钙钛矿锰氧化物材料丰富的物理内容，包括晶体结构、电子结构、磁性质、输运性质、电荷有序态、相分离现象、掺杂效应等奇特的物理现象。通过本章，我们将了解到钙钛矿锰氧化物的基本物理性质，同时对诸如双交换作用，Jahn-Teller效应等物理概念有所认识，为进入该研究领域作好准备。第二章中我们深入地研究了Nd0.6Ln0.1Sr0.3MnO3（Ln=La，Pr，Gd and Dy）体系的磁性质。A位平均离子半径<rA>被认为对体系的PM-FM相变有着深刻的影响。实验结果指出随着掺杂元素Ln从La变到Gd，相变温度TC逐渐降低。这一结果是由于<rA>的减小所引起的。对于具有最小<rA>和最大σ2的Dy掺杂体系，相变温度TC突然大幅上升。我们把这一现象归结于Dy3+离子大的磁矩。6T磁场下测量得到的M（T）曲线在30 K以下磁化强度的迅速增加直接说明了A位稀土离子的磁有序状态。第三章中我们系统研究了具有较小<rA>的电子型掺杂锰氧化物Gd0.4Ca0.6MnO3体系的电输运和磁性性质。通过M-T、M-H和BSR测量发现M-T曲线中的磁化强度起源于B位无序Mn离子和A位Gd3+离子的顺磁贡献。M-T曲线在TCO以下的奇特行为起源于在形成电荷有序态之后锰氧化物中剩余的无序Mn离子，并且这一反铁磁电荷有序态被认为是一种局域的短程有序态。第四章中我们研究了Pr0.5-xNdxSr0.5MnO3（x=0，0．1，0．2，0．3，0．4，0．5）体系的磁性性质。在掺杂两端的样品Pr0.5Sr0.5MnO3和Nd0.5Sr0.5MnO3由于不同的轨道序dx2-y2和d3x2-r2／dey2-r2，他们在低温下分别为A型反铁磁和CE型反铁磁。因此，Pr0.5-xNdxSr0.5MnO3的磁结构被认为是A型和CE型反铁磁结构的混和。我们的实验结果给出随着pr3+离子逐渐被Nd3+离子替代，TC几乎保持不变而TN显著降低。我们认为这一现象起源于不同磁结构类型的轨道序的不稳定性而不是A位离子半径的影响。第五章中我们研究了Ln0.4Ca0.6MnO3（Ln=La，Pr，Nd，Sm）的磁性及电输运性质。<rA>对锰氧化物中电荷有序行为的影响是特别深远的。电荷有序温度TCO随着<rA>的减小而增大。反铁磁电荷有序态从长程有序转变为局域的短程有序态，并且Ln=La，Pr，Nd，Sm掺杂样品的磁行为各不相同。通过M-T、M-H和ESR测量发现M-T曲线中的磁化强度起源于B位无序Mn离子和A位磁性离子的顺磁贡献。TCO的上升归因于<rA>的减小所导致的eg电子的局域化，并且不同样品的M-T曲线在TCO以下的不同行为起源于在体系形成电荷有序态之后剩余的无序Mn离子的数量各不相同。本博士论文工作得到了国家自然科学基金（No．10334090，No．10504029）和国家重点基础研究项目（No．2007CB925001，No．001CB610604）的支持。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 磁电阻效应及钙钛矿锰氧化物基本物性与研究进展
• 1.1 磁电阻效应
• 1.1.1 正常磁电阻效应
• 1.1.2 铁磁金属的磁电阻效应
• 1.1.3 磁性金属多层膜的巨磁电阻效应（GMR）
• 1.1.4 颗粒膜,间断膜以及纳米固体的GMR效应
• 1.1.5 自旋极化及隧道巨磁电阻效应（TMR）
• 1.1.6 其他磁阻效应体系
• 1.2 钙钛矿锰氧化物的CMR效应
• 1.3 钙钛矿锰氧化物的物理性质
• 1.3.1 晶体结构
• 1.3.2 电子结构和双交换作用
• 1.3.3 磁结构
• 1.3.4 磁、输运行为
• 1.4 各种掺杂效应及电-磁-结构相图
• 1.4.1 A位掺杂与公差因子效应
• 1.4.2 B位掺杂效应
• 1.4.3 电子型掺杂
• 1.4.4 各种相图
• 1.4.5 电荷有序,轨道有序,自旋有序
• 1.4.6 相分离
• 1.4.7 锰氧化物理论研究
• 1.5 本章小结
• 【参考文献】
• 第二章 铁磁基态锰氧化物A位掺杂效应研究
• 2.1 引言
• 0.6Ln_0.1Sr_0.3MnO₃样品的制备与实验测量'>2.2 Nd_0.6Ln_0.1Sr_0.3MnO₃样品的制备与实验测量
• 2.3 结果与讨论
• 2.4 本章小结
• 【参考文献】
• 0.4Ca_0.6MnO₃体系的有序态及磁性研究'>第三章 Gd_0.4Ca_0.6MnO₃体系的有序态及磁性研究
• 3.1 引言
• 0.4Ca_0.6MnO₃样品的制备与实验测量'>3.2 Gd_0.4Ca_0.6MnO₃样品的制备与实验测量
• 3.3 结果与讨论
• 3.4 本章小结
• 【参考文献】
• 0.5-xNd_xSr_0.5MnO₃体系中的磁有序态'>第四章 Pr_0.5-xNd_xSr_0.5MnO₃体系中的磁有序态
• 4.1 引言
• 0.5-xNd_xSr_0.5MnO₃样品的制备与实验测量'>4.2 Pr_0.5-xNd_xSr_0.5MnO₃样品的制备与实验测量
• 4.3 结果与讨论
• 4.4 本章小结
• 【参考文献】
• 第五章 电子型掺杂锰氧化物中的有序态及磁性研究
• 5.1 引言
• 5.2 样品的制备与实验测量
• 5.3 结果与讨论
• 5.4 本章小结
• 【参考文献】
• 在读期间发表的学术论文与获奖情况
• 致谢