强关联锰氧化物体系的自旋电荷关联效应及低温反常行为研究

摘要

锰氧化物作为一种过渡金属氧化物中典型的强关联电子体系，由于电荷、自旋、轨道和晶格自由度的相互作用，表现出诸多新奇现象和丰富的物理性质。本论文工作主要通过对钙钛矿结构锰氧化物A位平均离子半径及离子失配度适当调制，制备高品质的单晶和多晶样品，基于对磁性质与电输运的实验测量结果，着力于研究多种复杂新奇的低温反常输运行为，以期揭示电荷、自旋、轨道和晶格自由度之间关联性的物理本质。全文共分为六章，主要内容如下： 第一章综述了强关联锰氧化物的基本性质与研究进展，着重介绍了钙钛矿锰氧化物中的自旋玻璃行为、低温电阻最小值现象、奇异磁化行为和A位离子有序行为等近期研究的热点，说明了本论文的选题目的和研究意义。 第二章介绍了本论文制备单晶和多晶样品的具体实验方法和注意事项，以及样品表征和物性测量的实验原理和方案，便于下文就实验结果展开具体的讨论。 第三章系统研究了半掺杂Sm0.5(Ca，Sr)0.5MnO3多晶体系的低温磁性质与输运特性。由于Sm0.5Ca0.5MnO3体系中稳定的COAFM相的存在，整个测量温区表现为半导体导电行为，且不受外磁场调制。Sm0.5Ca0.5MnO3体系磁化强度随温度变化的曲线表明，随着温度降低，体系经历了电荷有序转变(Tco～270 K)和顺磁一反铁磁转变(TN～200 K)。Sm0.5Sr0.5MnO3体系虽然也存在COAFM转变，但是由于不如Sm0.5Ca0.5MnO3体系的稳定，因此随后在110 K发生了FM转变，并在电阻率随温度变化曲线上相应地存在MI转变和CMR行为。同时也存在类似Sm0.5Ca0.5MnO3体系的相分离行为，在相应的热磁曲线和磁化曲线上都有类似的行为。在40 K左右都存在再入型自旋玻璃转变，但与传统的自旋玻璃行为比较，我们认为两个体系在40 K左右的磁行为突变分别对应于两种不同的再入型自旋玻璃转变，即团簇型和传统再入型自旋玻璃，基于相分离理论与阻挫理论，讨论了两个体系的再入型自旋玻璃转变的异同及原因。进一步地，Sm0.5Sr0.5MnO3在低温下表现出不可逆的磁化行为与磁场相关的低温电阻最小现象，通过对体系弛豫行为的研究，发现低温电阻最小现象与自旋玻璃态的存在有着紧密的关系，表明了低温下自旋序与电输运异常行为之间密切相关。 为了澄清低温异常输运行为的本征特性，在第四章中，利用光学浮区法成功制备Pr5/8Ca3/8MnO3和La2/3Sr1/3MnO3体系单晶样品，给出了两种晶体的最佳生长条件，对热处理前后La2/3Sr1/3MnO3单晶样品输运行为进行了对比研究。La2/3Sr1/3MnO3单晶样品由于采用Ar汽生长环境，使得样品在空气中退火前后输运性质变化巨大，不仅Tc和TIM升高100 K左右，电阻率大幅降低，磁化强度大大增加，更重要的是，退火前样品在电阻率随温度变化曲线中表现出来的低温电阻最小值现象在退火后消失，由此可以证明我们的观点：由于氩气生长环境使得退火前样品中存在较多氧空位，引入各交换作用的空间无序，从而导致自旋的无序，这为双交换理论提供了又一个实验证据，并且表明了该类锰氧化物体系的低温电阻最小现象来源于自旋无序散射作用。 第五章探索了A位离子有序的半掺杂Pr1/2Ba1/2MnO3体系多晶样品的制备方法，本论文采取了3种工艺方案，试图以方法的改进来弥补起始反应物和反应保护气体纯度过低带来的不利影响，但是仍未能达到目的。分析原因，认为由于A位离子有序是实空间层状周期性的超结构，缺陷与杂质会对这种离子序产生雪崩型的破坏，因此对于起始反应物与反应保护气体的纯度要求极为苛刻，这也是国际上少有研究小组能实现此实验的原因。 第六章对本论文工作进行了系统地总结，阐述了对于A位掺杂锰氧化物低温磁特性和电输运的反常行为，以及电荷、自旋、轨道和晶格自由度之间相互关联物理本质的认识和展望。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章综述

1.1 引 言

1.2 锰氧化物体系中的自旋玻璃行为

1.3 锰氧化物体系中台阶型磁化行为

1.4 锰氧化物体系中低温电阻最小现象

1.5 锰氧化物体系中的A位离子有序现象

1.6 本论文选题的意义及主要工作

参考文献

第二章样品的制备与表征

2.1多晶样品的制备

2.2单晶样品的制备

2.3样品表征及物性测量原理

2.4本章小结

参考文献

第三章半掺杂锰氧化物体系的不同自旋玻璃相及磁弛豫对输运行为的影响

3.1引 言

3.2样品与实验

3.3 Sm0.5Ca0.5MnO3体系中团簇型再入自旋玻璃行为

3.4 Sm0.5Sr0.5MnO3体系传统再入型自旋玻璃行为

3.5 Sm0.5Sr0.5MnO3体系磁弛豫关联低温电输运异常

3.6本章小节

参考文献

第四章锰氧化物的单晶生长和低温异常输运行为

4.1引 言

4.2锰氧化物单晶生长及表征

4.3 La2/3Sr1/3MnO3单晶的磁性质与电输运异常

4.4本章小结

参考文献

第五章Pr1/2Ba1/2MnO3体系A位离子有序化的探索

5.1引言

5.2 Pr1/2Ba1/2MnO3样品的制备与表征

5.3 A位离子有序化的实验探索

5.4本章小结

参考文献

第六章 结论及展望

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致谢