钙钛矿锰氧化物电荷有序态稳定性及相分离界面效应研究

摘要

具有钙钛矿结构的锰氧化物材料引起了人们的极大兴趣，这不仅因为它具有潜在的应用前景，更为重要的是锰氧化物材料具有丰富的物理性质。由于该体系是自旋、电荷、轨道和晶格自由度高度关联的强关联体系，各种相互作用之间的竞争和耦合导致了复杂的电磁和结构相图以及各种有趣的物理现象如电荷、自旋和轨道有序以及相分离等。大量的研究集中在各种有序的构型以及对电磁特性的影响，相分离的起源以及与巨磁阻效应的联系上。然而关于电荷有序态的稳定性和相分离材料中的界面效应仍不清楚。本论文主要研究不同体系的电荷有序态在强磁场下的稳定性以及相分离锰氧化物中不同相之间的界面对电磁特性的影响。本论文的主要内容安排如下： 第一章介绍了巨磁阻锰氧化物的研究历史；晶体结构以及晶格畸变；基本物理机制(如双交换相互作用、Jahn-Teller效应和超交换作用)；La1-xCaxMnO3和其它体系的电磁相图；不同体系和掺杂范围的相分离；电荷有序及其对电磁特性的影响以及稳定性，Zener极化子有序；锰氧化物异质外延p-n结；关于锰氧化物在应用方面研究的最新进展。 第二章从热力学的角度研究了La1-xCaxMnO3(0.55≤x≤0.87)体系中Jahn-Teller相互作用对比热和磁特性的影响。通过比热、超声和磁化强度的测量，我们发现当x从0.55增大到0.75，Jahn-Teller相互作用的增强抑制了电荷有序转变温度TCO以上的铁磁涨落，增大了同电荷/轨道有序转变相关的熵变，因此增强了电荷有序态的稳定性。当进一步增大x从0.75到0.87，由于Jahn-Teller相互作用的减弱，铁磁涨落逐渐增强，熵变几乎线性地降低。我们基于Clausius-Clapeyron方程计算的TCO对磁场的依赖与强磁场输运测量获得的结果很好地一致。这些结果表明Jahn-Teller相互作用是理解电荷有序态的本征物理特性的关键。 第三章主要研究了Sm1-xCaxMnO3(0.4≤x≤0.8)体系的结构和输运特性。通过变温X射线衍射和强磁场输运测量，我们发现随着温度的降低，合作Jahn-Teller畸变形成，导致了电荷有序转变以及晶胞参数和电阻在TCO附近的异常。在低温下的磁阻效应起源于磁场诱导的t2g自旋的极化，并且随着Ca含量的增加而减小。而在TCO附近的电荷有序态的稳定性强烈地依赖于合作Jahn-Teller畸变和Ca含量。这些结果充分地肯定了电子、晶格、自旋和轨道自由度之间紧密的联系。此外，我们也系统地比较了不同体系电荷有序态的稳定性随掺杂稀土离子的变化，发现随稀土离子半径的减小，最稳定的电荷有序态向较低的Ca含量方向移动。 第四章主要研究了相分离的Y0.2Ca0.8MnO3中的界面效应对其电磁特性的影响。我们发现在强磁场下相分离的Y0.2Ca0.8MnO3的磁和输运行为在低于一定的温度T*时显示出磁场历史依赖行为。并且随着磁场的增加，这种差异变得越来越明显，T*逐渐升高。这种异常的高场历史依赖行为被归因于在铁磁/反铁磁界面处磁致弹性造成的巨大的能量势垒。此外，我们也在Y0.2Ca0.8MnO3中发现了交换偏置效应，并研究了它对磁阻的影响。我们假定eg电子在相邻的铁磁团簇和反铁磁相之间经过自旋受挫的铁磁/反铁磁界面隧穿，这个模型很好地解释了磁阻效应。这些结果表明铁磁/反铁磁界面在相分离的锰氧化物的电磁特性中扮演了关键的角色。 第五章初步研究了La0.67Sr0.33MnO3/Nb0.005Sr0.995TiO3p-n结的整流特性随温度和磁场的变化。我们发现随着温度的升高，开启电压Vd减小。p-n结在整个测量温度范围内表现出负磁阻效应，这与外加磁场极化了在e1g个和e2g个能带之间跃迁的电子自旋，降低了自旋散射，增大了跃迁几率有关。

目录

文摘

英文文摘

致谢

第一章钙钛矿锰氧化物的研究进展

第二章La1-xCaxMnO3体系电荷有序态稳定性的热力学研究

第三章Sm1-xCaxMnO3体系电荷有序态稳定性的研究

第四章相分离Y0.2Ca0.8MnO3化合物中界面效应的研究

第五章La0.67Sr0.33MnO3/Nb0.005Sr0.995TiO3异质外延p-n结整流特性研究

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