电子型掺杂锰氧化物相分离的研究

【摘要】： 钙钛矿结构锰氧化物受到广泛的关注和研究,一方面是由于它具有庞磁电阻(CMR)效应,在自旋电子学领域有着潜在的应用前景;另一方面是由于该类材料属于强关联电子体系,蕴涵着丰富的物理内容。锰氧化物体系中存在强的电子-自旋-晶格相互作用,导致了复杂的磁、电性质,如金属-绝缘体转变、自旋序、电荷序和轨道序等。 近年来大量的实验和理论研究结果都支持锰氧化物的基态是两相甚至多相共存的不均匀态,即存在本征的相分离行为。相分离的尺度可以从纳米到微米量级变化。在相分离过程中,淬火无序效应以及长程的应变起着重要的作用。正是相分离引起了锰氧化物各种奇异的性质如CMR效应,而锰氧化物的相变则是典型的逾渗过程。然而,到目前为止,大多数相分离的实验研究是在空穴型掺杂锰氧化物中开展的。为了检验相分离现象在锰氧化物中的普遍性以及更进一步探讨相分离的物理起源,有必要对电子型掺杂锰氧化物的相分离现象进行实验研究。此外,对电子型掺杂锰氧化物的研究有助于丰富CMR材料的物理内容,从而为进一步理解该材料体系的CMR机制奠定一定的基础。 在本论文中,作者对一些电子型掺杂锰氧化物(包括A位、B位掺杂的体系)进行了系统地研究。通过对样品的结构、电、磁等性质的测量,研究与相分离有关的物理现象。此外,采用内耗测量方法研究了锰氧化物的相分离现象,实验结果表明内耗测量方法对研究锰氧化物相分离现象是十分有效的实验手段。 本论文共分五章,每章的主要内容概述如下: 第一章简要介绍了磁电阻效应的研究进展和钙钛矿结构锰氧化物的相关物性。锰氧化物作为一种典型的强关联电子体系表现出许多吸引人的物理现象,特别是由于该体系所表现出的CMR效应具有潜在的应用前景,因而受到人们的广泛关注。锰氧化物体系存在丰富的物理内容,涉及金属-绝缘体转变、电荷序、轨道序和相分离等许多凝聚态物理的基本问题。最近的研究表明锰氧化物中存在着本征的非均匀性,即相分离的出现。这种相分离行为可能是导致CMR效应的主要原因。 第二章研究了A位掺杂的Sr_(1-x)Ce_xMnO_3和Ca_(1-x)Ce_xMnO_3体系的结构、磁、电输运性质。实验结果表明,这两个体系都出现本征的非均匀性-反铁磁绝缘相与铁磁金属相共存的状态,即相分离行为。这种相分离是由于Ce掺杂引入的A位无序效应导致的。部分的Ce替代Sr、Ca会导致A位离子变成无序分布,这种无序增强了在原临界点附近相互竞争的有序态(如反铁磁绝缘相和铁磁金属相)之间的涨落。此外,在电子型掺杂的Ca_(0.9)Ce_(0.1)MnO_3样品中还观察到电致电阻效应和非线性电导效应。对这些现象,我们采用相分离模型给予了合理的解释。 第三章研究了B位掺杂的LaMn_(1-x)Mo_xO_3和Ca_4Mn_(3-x)Mo_xMnO_(10)体系的结构、磁性、电输运和热输运性质。实验发现,少量的Mo掺杂就可以改变母体的基态性质。Mo掺杂的样品在低温区都出现了铁磁相与反铁磁相共存的相分离态。与A位掺杂相比,B位掺杂更容易改变母体的基态性质,并导致相分离态的出现。第四章采用内耗测量方法研究了电子型掺杂的Sr_(0.8)Ce_(0.2)MnO_3和Bi_(0.4)Ca_(0.6)MnO_3样品,同时结合电、磁性质的测量,对内耗峰形成的机制进行了讨论。实验结果表明,在Sr_(0.8)Ce_(0.2)MnO_3样品中顺磁区的内耗峰是与顺磁基体中铁磁团簇的形成有关。在电荷有序态转变温度以下的低温区,Bi_(0.4)Ca_(0.6)MnO_3样品表现出电荷有序相和电荷无序相共存的相分离态。研究表明非均匀的应变在稳定这种相分离态中起着重要的作用。实验观察到的低温区弛豫型内耗峰的出现是由于电荷有序相和电荷无序相动态的竞争所导致。 第五章对全文进行了总结与展望。