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多元掺杂含Pr钙钛矿氧化物的结构与物理特性

汪洋  
【摘要】:铜氧化物高温超导体REBa_2Cu_3O_(7-δ)(RE是稀土元素)和巨磁阻锰氧化物A_(1-x)A’_xMnO_3(A是三价稀土离子,A’是二价离子)都是具有钙钛矿或者类钙钛矿的电子强关联体系。在这两种材料中,人们都对可变价的稀土元素在RE位或A位掺杂对其物理性质的影响十分感兴趣。在Pr掺杂的REBa_2Cu_3O_(7-δ)材料中,Pr的化合价及其对高温超导电性的抑制机理方面一直就存在着争议;在A_(1-x)A’_xMnO_3材料中,Ce的化合价及其对晶体结构、电输运性质和磁性质的不同影响也引起了人们的争论。在本论文中,我们对这两种材料中变价稀土元素的掺杂效应做了研究,在其化合价的变化规律以及引起的晶体结构变化、输运行为和磁性质方面,取得了一些有意义的结果。论文分为以下四个部分: 第一章首先简要介绍了REBa_2Cu_3O_(7-δ)铜氧化物高温超导体的晶体结构、相关物理性质、掺杂效应,特别介绍了Pr掺杂REBa_2Cu_3O_(7-δ)的物理性质、Pr掺杂抑制超导电性的机理之争和Pr的化合价之争;然后简要介绍了A_(1-x)A’_xMnO_3锰氧化物巨磁阻材料的晶体结构、物理机制、相关物理性质以及掺杂效应,以及Ce在A位的掺杂的造成的不同的物理性质和化合价之争。最后,比较了两种材料中可变价元素掺杂的异同。 第二章通过对Pr和Ca等量双掺的Y_(1-2x)Pr_xCa_xBa_2Cu_3O_(7-δ)(x=0~0.14)系列样品的电阻率和温度关系的详细研究和分析,我们发现其超导转变温度TC随掺杂量x的变化行为在x0.10时偏离了Pr~(4+)和Ca~(2+)等量双掺造成的线性关系,而在x0.10时回到了原本期望的线性关系中。剩余电阻率、常温电阻率和常温电阻率温度系数的数据,也都出现了在x=0.10附近的平台以及平台前后存在的不同物理规律的表现。通过对其物理内涵的分析以及和前人工作的比较研究,我们认为,以上的物理现象都是Y_(1-2x)Pr_xCa_xBa_2Cu_3O_(7-δ)体系中Pr的化合价的变化以及相应的对高温超导抑制机制的改变造成的。当x0.10时,Pr的化合价相对接近+3,其抑制超导的主要机制为空穴局域;当x0.10时,Pr的化合价增高并接近+4,其抑制超导的主要机制为空穴填充。X射线光电光谱(XPS)的测量和分析也证明了我们的观点。 第三章从前人的工作中我们看到,Ce掺杂的锰氧化物从宽带系到窄带系(指Mn的eg的单电子导带带宽)都表现出了丰富的物理性质和不同的作用机理。在窄带系中,其反常的晶体结构变化以及磁性质的研究都支持Ce的化合价为+4。在宽带系中,类Kondo效应和高温Ce磁序的出现都支持Ce的化合价为+3。我们通过Ca~(2+)代替Sr~(2+),减小了Ce掺杂的宽带系锰氧化物Pr_(0.3)Ce_(0.2)Ca_xSr_(0.5-x)MnO_3(x≤0.125)的A位平均离子半径和单电子带宽,发现Pr_(0.3)Ce_(0.2)Ca_xSr_(0.5-x)MnO_3中即有和Ce~(4+)掺杂窄带系锰氧化物类似的晶体结构反常,又有Ce~(3+)显著的类Kondo效应和反常磁序的出现;另外随着单电子带宽的变小(x的增大),Ce~(3+)的类Kondo效应逐渐减弱,Ce~(3+)出现磁序的温度Tmax和居里温度TC之间的差距也逐渐接近。这些现象都支持Ce的化合价随着单电子带宽的减少从宽带系时的+3价渐渐向+4价转化。样品的饱和磁矩也随着A位离子半径的减少或者x的增加而增大,支持了Ce~(3+)的减少和Mn~(3+)的增多。我们认为,在半掺杂锰氧化物中,随着单电子带宽的减少,Ce的化合价会从+3渐渐变向+4,其对材料物理性质的影响机制也会做相应的改变。另外,样品的Ce磁序的特征温度并未在磁化强度的测量中反映出来,但我们发现ESR共振谱强度-温度曲线能够反映Ce磁序的出现。 第四章Pr_(0.3)Ce_(0.2)Sr_(0.5)MnO_3在不同的气氛中退火会具有不同的氧含量,虽然没有影响其居里温度,但仍然具有很多不同的物理性质。X射线衍射(XRD)数据和Raman光谱数据表明无论是氧含量的增加还是减少,都会增大锰氧八面体的倾角和畸变,从而影响到其双交换作用。根据实验结果我们认为,氮气退火(减小氧含量)的Pr_(0.3)Ce_(0.2)Sr_(0.5)MnO_3由于只改变Mn离子的价态,只影响到Mn的铁磁相和反铁磁相的竞争。氧气退火(增加氧含量)的Pr_(0.3)Ce_(0.2)Sr_(0.5)MnO_3会同时提升Mn离子和Ce离子的价态,不但会影响到Mn的铁磁相和反铁磁相的竞争,还会影响到Ce的类Kondo效应和磁序,从而使其具有更加复杂的电输运性质和磁性质。虽然Ce掺杂会在系统中引入新的绝缘-金属相变,但由于Ce的磁序是由Mn的磁序诱导产生,在这个体系中,对电输运性质和磁性质决定性作用的还是Mn离子的铁磁相和反铁磁相的竞争。


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