Cr合金和掺Cr钙钛矿锰氧化物的热膨胀、磁性、电和热输运性质研究

摘要

随着凝聚态物理研究的深入，强关联体系已成为当今凝聚态物理研究的焦点之一。由于电荷、晶格和自旋之间的复杂相互作用，使体系中出现了包括高温超导和巨磁电阻效应在内的各种奇特的物理现象。最近，在自旋密度波(SDW)Cr合金体系中也观察到了巨磁阻效应。随着Cr合金中掺杂元素种类和浓度的改变，体系出现丰富的电、磁相过渡，由其带来的物性上的丰富多样性引起了实验工作者的兴趣；同时，也因为这些过渡与体系中的费米面的嵌合相联系而吸引了理论工作者。Cr合金体系的巨磁阻和费米面嵌套分别与钙钛矿锰氧化物中的巨磁阻和高温超导铜酸盐中的费米面嵌套情况有很多异同，通过对Cr合金体系的巨磁阻和费米面嵌套的研究对解决强关联体系中的巨磁阻机制和高温超导机制有触类旁通作用。目前，对Cr合金和掺Cr钙钛矿锰氧化物体系的研究多集中于电、磁性质，而相关的热物性和红外光谱的研究并不多。 本论文主要研究Cr-Fe-Mn、Cr-Fe-V、Cr-Al-V合金体系在降温过程中经历不同磁有序状态的变化，以及这些磁状态对电输运性质和热物性影响。同时，在前期工作基础上，又研究掺Cr钙钛矿锰氧化物体系的热膨胀和红外光谱，探索体系电荷、自旋、晶格之间相互作用的微观机制。特别关注它们在不同的有序相及其转变附近的反常变化，得到了有意义的实验结果，并对结果进行了分析和讨论。全文共分五章。第一章为综述，后四章为研究生期间的具体工作。 第一章介绍Cr的能带结构和SDW特性，Cr二元合金的基本性质。阐述了一些重要的物理概念，如自旋涨落、受挫系统和自旋玻璃等，为进入该研究领域做好准备。考虑热膨胀工作国内研究比较少，阐述热膨胀的基本概念和基本理论，介绍本论文工作中使用的热膨胀测量方法及其原理。最后给出本论文的研究对象和研究目的。 第二章研究Cr-Fe-Mn系列合金在1.5～300K温区的磁化强度、热导率，电阻和磁阻随温度变化关系。通过磁测量确定了居里温度Tc，铁磁不是长程有序的。通过电阻率测量记录了Neel温度T<,N>，反铁磁相是SDW。热导率-温度关系表现出类似于无序非晶样品行为，与自旋相关散射有关。通过合金磁阻测量，在铁磁和反铁磁共存区域观察到巨磁阻现象。铁磁和反铁磁之间的相互作用的竞争和共存导致系统在更低温度下进入自旋玻璃态。这些结果都建立在铁磁团簇磁嵌套SDW反铁磁背景基础上讨论的。 第三章研究Cr-Fe-V合金，(Cr<,99>V<,1>)<,95>Fe<,5>和(Cr<,99>V<,1>)<,75>Fe<,25>，在5～300K温度范围的磁化强度和电阻率随温度变化关系。(Cr<,99>V<,1>)<,95>Fe<,5>合金在T<,N>附近，电阻率出现极小，发生SDW反铁磁相变。取温度相关的能隙函数2 △∝<平方根,T<,N>-T>可以很好地描述SDW反铁磁能隙随温度降低而打开的过程。(Cr<,99>V<,1>)<,75>Fe<,25>合金在居里温度T<,C>附近发生顺磁-铁磁相变，但电阻-温度曲线上没有观察到反常，铁磁相变对输运性质的影响可能被磁团簇相关的散射掩盖了。分析表明，在相变温度以上相对高温度，磁团簇已经开始形成。通过少量杂质钒V替代Cr就能使含Fe少的(Cr<,99>V<,1>)<,95>Fe<,5>的T<,N>和SDW迅速降低，而富Fe的(Cr<,99>V<,1>)<,75>Fe<,25>的T<,N>和SDW迅速减小。第四章研究Cr-Al和Cr-Al-V合金在10～450K温区的电阻率和热膨胀。Cr<,97.02>Al<,2.98>合金在Neel温度T<,N>以下电阻率出现上升趋势，与SDW反铁磁能隙的逐渐打开有关；而热膨胀明显减小，与磁体效应相关。低于公度．非公度SDW转变温度观察到电阻率增大，是由于磁散射在低温下增强。在Cr-Al合金中掺入少量钒就能压制SDW。用公式ρ=ρ<,0>+AlnT+BT<'2>+CT<'5>对三个合金在10～80K温区内电阻率-温度曲线进行拟合，结果表明，随着钒掺杂的增加，磁散射和s-d电子散射减小。 第五章在前期工作基础上，重点研究R<,0.7>A<,0.3>Mn<,1-x>Cr<,x>O<,3>(R=La，Nd；A=Ca，Sr)和La<,0.6>Ca<,0.4>Mn<,1-x>Cr<,x>O<,3>系列样品的热膨胀和红外光谱随着掺Cr量和温度的变化关系。La<,0.7>Ca<,0.3>Mn<,0.9>Cr<,0.1>O<,3>在金属．绝缘体转变温度T<,MI>附近热膨胀明显收缩，而La<,0.4>Ca<,0.6>Mn<,0.99>Cr<,0.01>O<,3>在电荷有序相变温度T<,CO>附近热膨胀明显增长。在局域Jahn-Teller晶格畸变和自旋-晶格相互作用基础上讨论这些结果，提出在锰氧化物中存在与不同电子态相联系的电荷-晶格或自旋-晶格的耦合以及体系中自旋相关的散射。在我们能够测量的频率范围，三个系列样品的红外光谱仅在600cm<'-1>附近观察到一个明显的吸收峰，即伸缩模式的红外吸收。随着Cr掺杂增加，Mn-O键长变短，MnO<,6>八面体振动增强，导致晶格畸变减小。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1 Cr的能带结构和SDW特性

1.2 Cr合金的基本物理性质

1.3自旋涨落、受挫系统和自旋玻璃

1.4热膨胀的基本概念和基本理论

1.5热膨胀系数测量简介

1.1.6本论文的研究对象和研究目的

第2章Cr-Fe-Mn合金的低温磁性、磁阻、电和热输运性质

2.1样品和实验

2.2 Cr67Fe23Mn10 和 Cr55Fe25Mn20的低温磁性和输运性质

2.3 Cr80-xFexMn20 x=20,25和Cr90-xFexMn10 x=20,23的磁性和输运性质

2.4 Cr80-xFe20Mnx x=10,20的磁阻

2.5本章小结

第3章Cr-Fe-V合金的低温磁性和电输运性质研究

3.1引言

3.2样品和实验

3.3(Cr99V1)95Fe5和(Cr99V1)75Fe25的磁性

3.4(C09V1)95Fe5和(Cr99V1)75Fe25的电阻率

3.5本章小结

第4章Cr-Al-V合金的电输运和热膨胀研究

4.1引言

4.2样品和实验

4.3Cr99.02Al2.98、Cr97.00Al1.72V1 28和Cr94.78Al3.91V1.31合金的电阻率

4.4Cr99.02Al298合金的热膨胀

4.5本章小结

第5章掺Cr钙钛矿锰氧化物的低温热膨胀和红外光谱研究

5.1引言

5.2样品和实验

5.3La0.7Ga0.3Mn0.9Cr0.1O3和La0.4Ga0.6Mn0.09Cr0.01O3的低温热膨胀

5.4掺Cr钙钛矿锰氧化物的红外吸收光谱

5.5本章小结

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果