尖晶石和钙钛矿体系中巨磁电阻效应及相关物性研究

摘要

强关联电子体系表现出很多吸引人的物理现象。特别是钙钛矿结构和尖晶石结构化合物中，由于它们所表现出的超大磁电阻效应(ColossalMagnetosistance，CMR)在提高磁存储密度以及磁敏感探测元件上具有十分广阔的应用前景，因而受到人们的广泛关注。同时，在这些强关联电子体系中还表现出诸如磁场或光诱导的绝缘体-金属转变、电荷有序、轨道有序、相分离等十分丰富的物理内容。这些物理问题涉及凝聚态物理中的许多基本问题，吸引了物理工作者广泛的关注，成为了当前物理研究中的热点之一。对超大磁电阻效应微观机制的研究，将会对凝聚态物理的许多领域的发展和完善起到重要的推动作用。 在本论文中，我们通过对铬基硫族尖晶石和钙钛矿锰氧化物进行掺杂研究，对CMR材料的物性以及磁阻机制进行了一些探索。部分内容已在国际科技期刊上发表。 本论文分为六章。 第一章简要介绍了凝聚态物理的强关联体系的基本概念，使我们对强关联体系物理有一个大致的了解。 第二章介绍了铬基硫族尖晶石和钙钛矿锰氧化物超大磁电阻材料丰富的物理内容，包括晶体结构，电子结构，磁性质，输运性质，掺杂效应，有序相和相分离等奇特的物理现象。通过本章，我们将了解到铬基硫族尖晶石和钙钛矿锰氧化物的基本物理性质，同时对诸如双交换作用，Jahn-Teller效应等物理概念有所认识，为进入该研究领域作好准备。 第三章研究了Fe位掺In对铬基硫族尖晶石化合物FeCr2S4的物性和磁电阻效应的影响。实验证明In离子掺入Fe位且以二价的形式存在。由于In离子的掺入导致在高于TC时在顺磁背底里出现越来越明显的磁涨落。磁涨落引起了磁随机势的出现，并导致载流子被磁随机势局域。从而高温区的输运机制从未掺杂样品中的小极化子导电过渡到掺杂样品中的可变程机制。同时，通过研究FeCr2S4单晶样品电子顺磁共振谱的角度依赖，我们成功的解释了多晶样品中复杂的电子顺磁共振行为。 第四章研究了Cr位掺Mn对铬基硫族尖晶石化合物FeCr2S4磁性和磁输运性质的影响。实验证明Mn的磁矩与Cr的磁矩平行。同时，电阻随着掺杂增多降低，而磁电阻效应和居里温度随着掺杂增大，磁电阻效应峰也朝高温移动。这些结果提供了一种可行的既增大尖晶石材料磁电阻效应大小又使其磁电阻峰值温度升高的方法，这对于未来巨磁电阻效应的实际应用是很有帮助的。 第五章通过比较Mn位掺Cr和掺Ga对La1-xSrxMnO3系列样品磁性的影响，证明Cr3+和Mn3+离子之间的超交换作用是铁磁的。这一结果对解决一直以来关于Cr3+和Mn3+之间相互作用的争论是有帮助的。 第六章研究了富BiBi0.6Ca0.4Mn1-xCrxO3和贫BiBi0.24Ca0.76Mn1-xCrxO3两个系列的有序相和Cr掺杂效应。我们发现CO转变前后的磁状态都是顺磁。仅当温度低于Tp时，系统转变到反铁磁。在富Bi体系中，电荷有序随着Cr含量增多而“融化”；而在贫Bi体系中，电荷有序在x≥0.03时“崩溃”。在贫Bi体系中我们观测到了复杂的磁性质。随着Cr掺杂浓度从0增大到0.24，系统经历了反铁磁-弱铁磁-反铁磁的复杂相变。仔细的分析表明这一复杂的转变是有序贫Bi体系随着掺杂从C型反铁磁变到了G型反铁磁。这些结果对于重新理解随着掺杂浓度和温度变化发生的磁结构相变是有帮助的。

目录

文摘

英文文摘

第一章引言：凝聚态物理学和强关联电子体系

第二章磁电阻效应及相关物性研究进展

第三章A位掺杂对CMR材料FeCr2S4物性的影响

第四章B位掺Mn对CMR材料FeCr2S4物性的影响

第五章锰氧化物中Mn3+-Cr3+相互作用研究

参考文献

攻读博士学位期间的研究成果和获奖情况

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