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Pr_(0.75)Na_(0.25)Mn_(1-x)Fe_xO_3的合成、结构和磁电性质研究

李玉  
【摘要】: 强关联钙钛矿锰氧化物体系的研究表明电荷、自旋、轨道和晶格自由度之间存在相互耦合和竞争,并由此诱发产生了绝缘-金属转变、有序化、相分离和变磁相变等一系列新奇物理现象。由此产生很多对上述现象进行解释的理论和模型进一步推动该领域的发展,使得强关联钙钛矿锰氧化物体系的研究成为二十一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。但目前仍有很多磁现象产生的物理根源及它们之间的关系没有完全研究清楚。 本文以具有典型低温相分离特征的Pr_(0.75)Na_(0.25)Mn_(1-x)Fe_xO_3系列样品为具体研究对象,在合成系列单相样品的基础上,通过X-ray衍射(XRD)、X-ray荧光光谱分析(XRF)、扫描电镜(SEM)、红外分析(IR)等多种技术确定了系列样品的微观结构及阳离子比例,用物理性质测量系统(PPMS)对系列样品的M-T、M-H、ρ-T和ρ-H曲线,交流磁化率及弛豫效应等磁电性质进行了系统研究,分析了电荷有序、轨道有序与Fe掺杂量之间的关系,系列样品的低温相分离特征及其与台阶状变磁相变的关系,磁场诱导产生的变磁相变与可能的自旋/轨道量子转变的物理本质。 采用溶胶凝胶法首次合成了单相的多晶Pr_(0.75)Na_(0.25)Mn_(1-x)Fe_xO_3系列样品,结合XRF分析,证明了sol-gel法确实避免了Na元素挥发和锰氧化物析出,这是由于sol-gel法合成样品较固相反应法所需的温度低、时间短,这是本论文的创新之一,为制备含易挥发元素的氧化物陶瓷样品提供了新的思路。SEM照片表明sol-gel法制得的样品致密度较固相反应法制得的样品致密度稍差一些;IR分析表明MnO6八面体的Jahn-Teller畸变随Fe含量的增加而减弱。 sol-gel法制得的样品Pr_(0.75)Na_(0.25)MnO_3的电荷有序(CO)峰的相对强度要明显强于用固相反应法制得的相同名义配比的样品(该样品实际Pr/Na=0.80:0.20)。同时,前者的电阻率也明显比后者高。这可以归于两个原因:(1) sol-gel法制得的样品Pr_(0.75)Na_(0.25)MnO_3中Mn4+/Mn3+~1:1对应较强的电荷有序反铁磁(COOAF)相,从而使与之竞争的铁磁金属态相对较弱。(2) sol-gel法制得的样品晶粒间不致密,使晶界电阻较大。 研究了Fe掺杂对Pr_(0.75)Na_(0.25)MnO_3中CO和磁有序的影响。Fe掺杂抑制了长程CO,并使CO温度向低温移动。在x≤0.05时铁磁成分随Fe含量增加而增加,电阻率随Fe含量增加而下降,然而二者随Fe含量进一步增加均朝相反的趋势变化。这种复杂的现象可以通过几何效应(Fe3+的几何尺寸大小)和电子结构的影响两个方面的竞争来解释。在Pr_(0.75)Na_(0.25)Mn_(1-x)Fe_xO_3中几何效应在低掺杂范围内起主导作用,Fe3+对双交换的削弱作用在高掺杂范围内起主导作用。这一观点为理解强关联体系中的相互作用关系提供了新的机制。x≤0.05样品在2 K出现了台阶状变磁相变现象,这是在相分离框架下由COOAF相向铁磁(FM)相转变引起的。由于Fe掺杂抑制了COOAF相,x≥0.1的样品在2 K下并没有出现台阶状变磁相变。为了考察2 K下无变磁相变现象样品的基态,详细研究了Pr0.75Na0.25Mn0.9Fe0.1O3的基态。分析表明Pr0.75Na0.25Mn0.9Fe0.1O3基态是铁磁团簇和反铁磁基质共存的相分离基态。铁磁团簇体积随外磁场的增加而增大,但是直到5 T场下铁磁团簇仍然没有完全占据该样品。这一结果有力的支持了当今锰氧化物强关联物理中占主导地位的相分离机制。另外,即便是在5 T外场下65 K以下Pr0.75Na0.25Mn0.9Fe0.1O3仍然是绝缘态,65 K以上电阻率表现了磁性半导体的特征。研究了多晶样品Pr0.75Na0.25Mn1-xFexO3(0≤x≤0.30)中2 K下台阶状变磁相变现象。数据分析表明该系列样品中存在三种相。即COOAF、FM、AFII (与COOAF不同类型的一种反铁磁相)。AFII的反铁磁交换作用比COOAF强,首次提出了AFII所占的百分比是临界场Hc大小的决定因素的观点,并用自旋势垒模型解释了多晶锰氧化物中陡峭的台阶状的变磁相变(临界场宽度 0.01 T)及相关物理现象。自旋阻塞温度以下的台阶状变磁相变和自旋阻塞温度以上的渐变型变磁相变都起源于COOAF相。这两种变磁相变的锐度及临界场大小之间的显著差异主要是由自旋在不同温度下的属性差异引起的。


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