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《双掺杂钙钛矿复合氧化物结构及磁电性质》可供高等院校和科研院所的凝聚态物理、材料物理及材料化学专业的研究生、学者学习和参考。

内容简介

极低温下台阶状变磁相变是近年来的研究热点，但物理机制尚无完美解释。《双掺杂钙钛矿复合氧化物结构及磁电性质》以具有典型低温相分离特性的钙钛矿氧化物Pr1-xNaxMn1-y·FeyO3(0≤y≤0.3)、Ln0.5Ca0.5Mn1-xMexO3(0≤x≤0.3)（Ln为Pr，Me为Al；Ln为Sm，Me为Cr、Co和Fe；Ln为Nd，Me为Fe、Ga）共8个样品系列为研究对象，在制备单相多晶样品基础上，应用PPMS系统来研究样品的低温磁电性质。具体研究了样品发生变磁相变时纳米团簇之间促发作用、促发过程、促发机制及该促发作用在具体样品中产生的影响；还研究了FM/COOAF相之间竞争过程的微观图像；分析了极低温下台阶状磁化曲线与渐变型磁化曲线相互转化的影响因素及规律。这些可以帮助我们更深入理解该类具有低温相分离的复杂系统的奇异行为和可能的量子转变现象。

目录

前言
第1章绪论1
1.1引言1
1.2ABD3钙钛矿型复合氧化物磁学性质研究现状2
1.3本书研究的出发点和主要内容6
参考文献9
第2章锰氧化物磁电性质基本理论13
2.1钙钛矿型复合氧化物的晶体结构13
2.1.1AB03型钙钬矿的晶体结构13
2.1.2AA，BP/03双钙钬矿型复合氧化物的晶体结构13
2.2钙钛矿型复合氧化物中电子状态的理论描述14
2.2.1能带理论14
2.2.2晶体场理论14
2.2.3分子轨道理论15
2.2.4配位场理论15
2.2.5超交换相互作用理论15
2.3锰氧化物体系的基态物理性质与基本物理现象18
2.3.1电子结构与Jahn-Teller畸变18
2.3.2锰氧化物中的电荷、自旋和轨道有序19
2.3.3相分离24
2.3.4变磁相变25
2.3.5CMR效应及其产生机制26
2.4本章小结27
参考文献28
第3章的结构表征及磁电性质分析31
3.1样品的制备及结构表征与分析31
3.1.1引言31
3.1.2样品制备31
3.1.3的结构38
3.2相分离基态研究41
3.2.1引言41
3.2.2基态研究43
3.3Fe掺杂对交流磁化率的影响48
3.3.1引百48
3.3.2Fe掺杂对磁性质的影响 49
3.3.3Fe掺杂对交流磁化率的影响50
3.4本章小结52
参考文献53
第4章的结构及磁电性质研究57
4.1引言57
4.2的结构研究57
4.2.1表征57
4.2.2SEM照片分析57
4.3磁性质研究59
4.3.1M-T曲线研究 59
4.3.2M-H曲线研究59
4.3.3变磁相变的机制分析60
4.3.4台阶状变磁相变与渐变型变磁相变的比较63
4.4电性质研究64
4.5本章小结65
参考文献65
第5章的制备及结构表征及磁电性质分析68
5.1样品的制备方法和测量原理68
5.1.1样品的制备68
5.1.2X射线衍射结构分析69
5.1.3电磁特性测量方法与原理70
5.2系列样品磁性质研究72
5.2.1A1掺杂对磁化强度的影响 73
5.2.2A1掺杂对Pro. Ca0.MnO3磁滞回线的影响 75
5.2.3A1掺杂对交流磁化率的影响 76
5.3系列样品电输运性质研究79
5.3.1A1掺杂对电阻率的影响 81
5.3.2磁电阻效应的研究82
5.4本章小结84
参考文献85
第6章的制备、结构表征及磁电性质分析87
6.1的制备与结构表征87？
引言87
6.1.2制备原理与实验装置87
6.1.3固相反应法制备Sm().5Ca(，5Mn xCr ()3系列样品89
6.1.4系列样品的XRD结构表征89
6.2样品的磁性和电输运性质91
6.2.1引言91
6.2.2测量系统与实验内容92
6.2.3Cr掺杂对SCMCO系统中电荷有序和磁有序的影响93
6.2.4Cr离子对SCMCO体系的电输运性的影响98
6.2.5CMR效应研究99
6.3本章小结101
参考文献102
第7章的制备、结构表征及磁电性质分析105
7.1样品的制备与测试105
7.1.1 实验原料及仪器设备105
7.1.2制备方法介绍——固相反应法105
7.1.3样品的制备与结构分析106
7.1.4磁性质和电性质的测试108
7.2Fe掺杂对Ncd.Cao.Mn 7^03 (07.2.1引言109
7.2.2Fe掺杂对磁性质的影响110
7.2.3Fe掺杂电输运性质的影响113
7.3的磁滞回线分析118
7.3.1引言118
7.3.2温度对样品磁滞回线的影响118
7.4本章小结122
参考文献124
第8章的制备、结构表征及磁电性质分析126
8.1的制备与结构表征126
8.1.1引言126
8.1.2制备所需原料及仪器设备126
8.1.3高温固相反应法制备127
8.1.4Nd，，5Ca).5Mn1 ^GaJOi (08.2掺杂对 Nd0.5Ca0.5Mn! IGaI03(08.2.1引言130
8.2.2Ga掺杂对系列样品的磁化强度的影响130
8.2.3Ga掺杂对系列样品的磁滞回线的影响132
8.2.4温度对于的磁滞回线的影响134
8.3Ga掺杂对系列样品电输运性质影响的研究136
8.3.1CMR效应及产生机制136
8.3.2Ga掺杂对系列样品电阻率的影响139
8.3.3系列样品的CMR效应141
8.4本章小结142
参考文献143
第9章的结构及磁基态研究145
9.1的制备与结构表征145
9.1.1引言145
9.1.2样品制备145
9.1.3系列样品的结构表征与分析147
9.2Co掺杂对Smn.Can.MnC^磁基态的影响 15。
9.2.1引言15。
9.2.2磁性质测量仪器与方法151
9.2.3Co掺杂对Sm。. 5 Ca。. 5 MnO3电荷有序和磁有序的影响 152
9.3的交流磁化率分析157
9.3.1引言157
9.3.2的交流磁化率实部分析158
9.3.3的交流磁化率虚部分析161
9.4本章小结164
参考文献165
第10章的制备、结构表征及磁性研究168
10.1系列样品的制备及结构表征168
10.1.1引言168
10.1.2的制备168
10.2系列样品的磁性质174
10.2.1引言174
10.2.2磁性测量原理与方法174
10.3本章小结185
参考文献186

精彩书摘

第1章绪论
1.1引言
凝聚态物理是物理学最大的分支领域，所谓凝聚态是物质固态和液态的统称。其特征在于研究人员众多，研究成果丰富，对技术发展影响广泛，与其他学科相互渗透迅速。在地球上，与人类生活密切相关的物质除了阳光和空气外，其余都是以凝聚态的形式存在，这足以看出研究凝聚态物理对人类生存和生活的重要性。凝聚态物理较早的重大突破是半导体的发现及应用，它对人们生活和工作产生的影响只需从我们日常所用的电脑中的众多半导体元件就可见一斑。凝聚态物理近年来有两个热门方向：一个是“超导”另一个是“纳米”。媒体上关于它们巳经有很多的介绍。除此之外的其他研究领域诸如软物质、准晶体、磁学等很可能酝酿着下一个重大的突破。可以肯定的是，作为物理学最大的分支方向，凝聚态物理巳经逐渐发展为整个物理学的主体和重心，超过半数物理学研究者在这个领域辛勤地工作着。
在21世纪之初，作为社会发展以及人类文明进步的重要科学技术基础，凝聚态物理主要有以下亟待解决和引起人们广泛兴趣的热点方向：
(1)极细微尺度物质及相关技术的研究；
(2)新型功能材料的发展及其应用的物理基础研究；
(3)极端条件下的凝聚态物理学研究；
(4)表面、界面物理和化学物理学研究；
(5)交叉学科的凝聚态物质研究。
而上述的研究热点又是相互联系、相互渗透的。由此又产生了很多上述热点方向的交叉分支学科。
在丰富广博的磁学领域，有一门新兴的分支学科 磁电子学(magnetoelectronics)，
或者称作自旋电子学（spinelectronics)。它是上述第（2)和第（3)个研究热点交叉而形成的。它的重要研究对象是具有强关联电子体系的铜氧化物和锰氧化物等新型功能材料；它的研究手段是极端条件如强场、高压、极低温和超快等。
从20世纪80年代末以来，磁电子学得到了迅速的发展。AB()3g钛矿型复合氧化物是该分支学科的重要研究对象。一方面，ABO3钙钛矿型复合氧化物具有丰富的物理化学性质，如铁磁性、铁电性、热电性、压电性、超导性、热导性、磁致伸缩、荧光、催化活性、庞磁阻效应和变磁相变等，因而它可以作为功能材料，具有重要的应用价值。尤其是80年代中期高温超导体的出现和90年代对庞磁阻效应的研究，使钙钛矿型稀土复合氧化物成为引人注目的研究热点。另外该材料中所表现出的近100%的自旋极化率和强的铁磁序及其与电输运特性之间的紧密关联等现象，为该类材料的未来应用揭开了极其诱人的前景。
另一方面，由于在该类材料中电荷-自旋-轨道-晶格自由度之间存在强的相互作用，从而诱发产生绝缘体-金属转变、有序化和相分离等一系列新奇现象，同时，abo3钙钛矿型复合氧化物结构简单，容易把各种性质和结构联系起来，因此该类材料又具有重要的基础研究价值，这些新奇现象的研究巳成为近年来物理学特别是凝聚态物理研究中十分活跃而又引人注目的前沿领域，给物理学家提出了新的研究课题，将导致与凝聚态物理紧密相关的自旋电子学、轨道电子学、强关联电子学等全新概念的产生，并向其他学科移植和渗透，成为21世纪科学技术特别是凝聚态物理强关联电子系统的主要研究热点之一。
从20世纪80年代末到现在，经过20多年的发展，以钙钛矿复合氧化物为重要研究对象的磁电子学巳经建立了基本的理论体系。这些理论在很多方面取得了和实验很好的吻合。但是磁性产生的物理根源目前尚未完全研究清楚，尤其是在自旋玻璃、团簇玻璃、相分离、电荷有序、变磁相变方面，人们建立了大量的物理模型，从不同的角度给出了不同的解释，但仍有一些现象无法解释清楚[]。庞磁电阻（colossalmagneticresistance，CMR)效应巳发现很多年，也取得了广泛的应用，但其物理机制至今也没有获得统一的解释。在锰氧化物强关联体系中电荷、晶格、自旋和轨道自由度之间相互耦合，比热、晶格、导电性和磁化率等各种性质相互影响[]。弄清上述这些物理量的来源以及它们之间的相互关系是当前凝聚态物理学界的重要目标。
1.2 ABO3钙钛矿型复合氧化物磁学性质研究现状
磁性的研究是当今比较活跃的研究领域之一，现巳建立了基本的理论体系。如能带理论、晶体场理论、分子轨道理论、配位场理论等，并建立了很多模型，如双交换模型、超交换模型、渗流模型、马氏体相变模型等，这些理论和模型在很多方面和实验相吻合。但是仍然有很多的实验现象无法给出合理的解释。很多时候，同一种理论或模型可以较好地解释某些实验现象，但同时又与很多别的实验现象相矛盾。迄今为止，仍有很多磁现象产生的物理根源没有完全研究清楚，尤其是CMR、电荷有序、自旋玻璃和变磁相变方面，人们建立了大量的物理模型，给出了不同的解释，但仍有一些现象人们无法用巳有的模型解释清楚[1]，因此有必要在这几个方面继续深人研究。
早在20世纪50年代，物理学家就在混价锰氧化物中就发现了磁电阻效应。1951年，Zener提出了双交换（double-exchange，DE)模型来定性地解释此类材料中的磁和电性质的变化规律[5，]。1955年，Goodenough[7，]提出了Mn的3d电子和O的2p电子杂化的半共价键理论，定性地解释了磁有序、晶体结构和导电性之间的关系，并根据该半共价键理论预言了Li-Ca-MnCKXzgl)体系不同z值所对应的的磁结构和相应的晶体结构。很快，Wollan和Koehler？利用中子衍射实验详细研究了Lai-Ca-MnaCOs^zS^l)体系的磁结构和晶体结构，从实验上给出了该体系的磁结构相图，结果显示与Goodenough的理论预言是一致的。这就证明了半共价键理论的正确性。同年，Anderson和Hasegawa[w]在把每个锰离子的核自旋看作是经典的自旋，并在巡游电子量子化的基础上，发展了Zener的双交换模型。i960年，deGennes[11]在反铁磁的基础上考虑双交换作用，又从理论上进一步发展了双交换理论。在随后的20年中，由于实验条件的限制，没有新的实验现象发现，但几乎所有的实验现象都能用以上理论进行解释，正是由于理论上的成功，使得在随后的年代里对锰氧化物的研究进展停滞不前。既没有太多新的实验现象发现，也没有重大的理论创新与突破。
直到20世纪80年代末，实验手段的开始不断提升，在电子自旋的研究方面不断取得新的突破，使得该领域逐渐发展成为一门新兴的分支学科——自旋电子学，或者称作磁电子学。1988年发现金属Fe、Cr交替沉积而形成的多层膜（Fe/Cr)N(N为周期数）电阻率随磁场增加而下降[12]，这种负磁电阻效应被称为巨磁电阻效应（giantmagnetoresistenceeffect，GMR)。对磁性金属超晶格与多层膜的研究表明，与输运电子自旋相关的散射变化引起了磁场下样品的电阻率下降。1992年在磁性颗粒膜中也观察到了类似的巨磁电阻效应。美国IBM公司的Almaden实验室利用这种磁电阻材料作为磁存储盘的读出磁头，使存储量得到了进一步提高，存储密度高达1Gbit/in2。由于可以利用样品的巨磁电阻效应来制备用于高密度磁盘的信号读出器、磁传感器和磁存储器等，因此，巨磁电阻效应的研究近年来发展十分迅速。1993年，Helmolt[3]和Kenichi[13]等首次报导了1也3BaL.3Mn()3和1咖3CaL.3Mn()3具有巨磁电阻效应，接着，1994年jin[u]发现在温度为77K、磁场大小为6T的条件下，在LaAl(_)3#晶基片上外延生长的LkiCa^Mna薄膜的磁电阻效应竟高达1.27X1(0%，甚至比在金属多层膜中的巨磁电阻效应还要高几个数量级，因此称之为CMR效应，这揭开了CMR效应研究的序幕，使CMR效应的研究迅速成为凝聚态物理和材料物理研究的前沿和热点，并带动了相关学科的发展。
直到了90年代中后期，Mi11s等发现材料在高温下的高电阻率行为以及外场所导致的输运特性突变，利用双交换模型无法得到合理的解释[13]。为了更好地解释CMR效应和掺杂稀土锰氧化物材料的磁学性质和电阻率随掺杂浓度和温度的变化关系，新的模型相继出现，比较流行的如载流子的局域化形成的JT极化子[132<)]以及非磁杂质引起的Andeson定域化[21]渗流效应[22]、相分离？等。但这些模型都只能解释其中的部分实验现象，随着研究的不断深人，近年来越来越多的实验证据不断地显示，电子相分离（phaseseparation)形成的金属和绝缘的纳米团簾(cluster)可能在
CMR效应中起着重要作用[2.2427]。
近几年，电荷有序现象也逐渐成为当前磁学领域的研究热点现象[29]。1998年，Mori等[3。]通过电子衍射获得了Lai^Ca^MnOs(3：=1/2，2/3，3/4，4/5)体系咼分辨晶格图像（latticeimage)后，他们发现电荷有序的条纹相是配对的，将其称为双Mn3O6Jahn-Teller崎变条纹相(pairingofMn3O6Jahn-Tellerdistortedstripes，JTS)即双条纹相(bi-stripe)。而Radaelti等[31]认为Ia1；3Ca2/；MnO3中的电荷排列是采取“Wigner-crystal”形式，此时的电荷有序是由于电子之间的库仑（Coulomb)排斥作用引起的。图1-1给出了“bi-stripe”和“Winger-crystal”不同形式Mn3/Mn4排列示意图。在“Winger-crystal”型结构中，为了减小电荷间的库仑排斥作用，电荷不是紧密堆积的，即Mn3和Mn4不是配对排列的，而是互相错开一个晶格常数的距离，以减少电荷之间库仑排斥作用引起的能量升高[2]。在“bi-stripe”结构中，电荷则是紧密堆积的，Mn3和Mn4离子相对排列。目前上述结构均有一定的支持者，电荷有序态究竟是“Winger-crystal”相，还是“bi-stripe”相至今仍然是一个未解决的问题。
图1-1电荷有序态下的由于强关联体系锰氧化物中的电荷、自旋、轨道和晶格自由度之间存在强烈的关联作用，各种相互作用之间的竞争非常复杂，因此，电荷有序的起源迄今为止仍不清楚，在具体的体系中对电荷有序态起主导作用的因素也有很大差别。
电荷有序现象引起人们的重视不仅仅是由于电荷有序态紧密地联系着CMR效应、变磁相变的起源，更重要的是它是理解强关联体系中电荷、晶格、自旋和轨道自由度之间相互作用关系的关键。伴随着电荷有序现象的发生，比热、晶格、导电性、磁化
率等都会发生明显的变化[3235]，因此深人研究电荷有序态的起源成为当前磁电子学的热点之一。对电荷有序态的系统研究显示，电荷有序态受多种因素的影响，例如，掺杂[36.37]、同位素替代[38，9]、外加磁场[K)|2]、电场[3.n]、X射线[⑴甚至静压[丨6，7]等均能破坏电荷有序态。
在人们研究过程中，人们发现了另一与相分离和电荷有序紧密联系的现象，即磁化强度台阶 变磁相变（metamagnetictransition)。首次对多晶中变磁相变做较为详细研究的是美国普林斯顿大学的Mahendimn[1]。2002年，他们详细研究了多晶样品Pr().5Ca(，5Mn().95Co，，05O3的台阶状变磁相变。发现该变磁相变只在低温下存在(5K以下），并且台阶的宽度小于2X101丁。该临界场的大小与样品在冷却时所加的外场大小呈线性关系。变磁相变的这种行为同样也在Mn位未掺Co的样品及单晶样品中观察到。这种低温下台阶状的变磁相变与在锰氧化物中观察到的高温变磁相变以及在其他材料中观察到的变磁相变有本质的不同，他们认为这是样品的一种本征性质，当今流行的解释是马氏体效应[29]。然而马氏体效应不能解释多晶中的分布磁化现象，变磁相变不可逆性以及变磁相变具有严格的临界温度等现象。另外对Mn位掺杂、磁场弛豫、加磁场冷却等因素对变磁相变临界场H。的影响也尚无定论。因此，必须提出新的理论模型才能对变磁相变现象进行解释。这就要求磁电子学工作者在实验和理论方面有所突破。
在磁学领域里，尽管理论物理学家和实验物理学家做了大量的努力，也取得了很大的进展，现巳建立了基本的理论体系。这些理论在很多方面取得了和

前言/序言

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