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La-Sr-Mn-O掺杂及复合材料结构和磁电输运性质研究

【摘要】: 锰氧化物是一种重要的功能材料,从1950年到现在对这种材料的研究一直引起研究人员的强烈兴趣。从1950年到1990年主要集中在二价离子掺杂的性能上,主要研究它的铁磁金属性能,在二价离子掺杂浓度为1/3时,铁磁金属性能最好,并提出了双交换模型对此性能作了深入阐述。从1990年开始到现在在锰氧化物中发现了巨磁电阻效应、晶界效应和磁热效应再次掀起了这种材料的研究热潮。这种材料有望在硬盘读出磁头和室温磁制冷等领域显示巨大应用前景。 La_(2/3)Sr_(1/3)MnO_3(LSMO)化合物的铁磁金属-顺磁绝缘的居里转变温度在360K左右,高于室温,是一种非常有希望能走向应用的材料。但目前这种材料面对许多技术难题,室温的磁电阻效应太小;所需要的外加磁场过大,达到几个特斯拉;低场下的磁电阻值很低,对低场的磁电输运机理还不是很深入。本论文对二价Zn离子掺杂取代La位的结构和磁电输运性能进行了研究。在La_(2/3)Sr_(1/3)MnO_3化合物基体中引入不同功能的材料,例如铁电BaTiO_3,不同禁带宽度的半导体(CuO,ZnO,Al_2O_3),具有铁磁绝缘性能的铁氧体等等,研究其不同功能的材料的耦合效应及对自旋相关散射和隧穿效应的影响,得到以下有意义的结果并且对其中机理作了深入阐述: 1、ZnMnO_3具有尖晶石型结构,用Zn部分取代La位,结果表明La_(1-x)Zn_xMnO_3具有钙钛矿型结构,但在Zn掺杂浓度为1/3时,电阻率最小,磁电阻值很低。如果固定Mn~(3+)/Mn~(4+)比为2:1,即保持La位浓度不变,而用Zn~(2+)部分取代Sr~(2+),研究发现替代后保持钙钛矿型结构,居里温度下降,居里转变点附近的磁电阻值升高。这说明Zn~(2+)取代Sr~(2+)是提高室温磁电阻的重要手段。 2、在La_(2/3)Sr_(1/3)MnO_3(LSMO)化合物中引入不同浓度的BaTiO_3(BTO),研究结果表明:在复合材料中存在LSMO/LSMO和LSMO/BTO/LSMO两种晶界。随着掺杂浓度升高,电阻率增大,在5mol%掺杂浓度,电阻率升高了两个数量级。如果制备BaLa(0.35mol%)TiO_3,部分Ba被三价La取代,从而降低了晶界势垒,结果电阻率降低了一半。这些结果表明LSMO/BTO/LSMO结构主导着LSMO/BTO复合材料的磁电输运性质。在5T磁场下,低温下电阻率下降很大是由于自旋电子隧穿绝缘晶界引起,而高温下电阻率在5T磁场下降低很少是由于高温下自旋电子热隧穿绝缘晶界引起。掺BTO的磁电阻随温度变化表现出与LSMO化合物不同的行为。磁电阻随温度增加而单调降低。随掺杂浓度增大,低温下的磁电阻增大而高温下磁电阻 3、降低。磁电阻随磁场关系变化表明在低温下掺杂浓度增大,低场下的磁电阻降低,而高磁场下的磁电阻增大。 3用水热法制备了BaTiO_3粉体。研究表明Ba/Ti比和水热反应的碱性对水热反应的产物有很大影响。Ba/Ti比越大,碱性越强越有利于水热反应。用这种反应制备的粉末掺入到LSMO中,发现掺杂浓度为20%时,室温电阻率依然很小。 4在LSMO中掺入相同摩尔比33mol%不同禁带宽度的CuO、ZnO和Al_2O_3氧化物。研究发现掺入CuO和ZnO的复合材料电阻率随温度变化出现了两个峰,高温的电阻率最大值与LSMO的最大电阻率接近,且电阻率峰所对应的温度与LSMO的居里点相近。低温的电阻率峰比较宽,在~255K左右。而LSMO/0.33Al_2O_3复合材料的电阻率在200-400K随温度升高而下降。在200K的电阻率比LSMO化合物的电阻率增大两个数量级。LSMO/0.33CuO和LSMO/0.33ZnO的磁电阻随温度的变化与LSMO化合物基本相似,而LSMO/0.33Al_2O_3的磁电阻随温度的升高而下降。这些结果表明LSMO/第二相/LSMO结构的势垒决定着复合材料的磁电输运性质。ZnO虽然室温下的禁带宽度为3.30ev,但在烧结时容易分解产生Zn间隙和0空位,CuO的禁带宽度比较低(1.1ev),使得载流子可以越过势垒而导电,高温下第二相是导通的。而Al_2O_3禁带宽度比较高,所以对载流子的势垒散射较强。在5T高磁场下载流子在低温下可以自旋极化隧穿绝缘相,而高温下载流子热隧穿绝缘相导致磁电阻很小。 5 LSMO具有软磁性,在LSMO中掺入Mn_(0.5)Zn_(0.5)Fe_2O_4(MZF)软磁绝缘和BaO.6Fe_2O_3(BaM)硬磁绝缘相,一方面磁性晶粒之间存在磁性耦合,另一方面存在自旋极化的散射和隧穿效应,磁性耦合必然对这种自旋极化散射和隧穿效应产生影响。MZF加入到LSMO材料中磁化强度降低,同时电阻率增大,在5T高磁场下低温电阻率降低很大。磁电阻随温度升高而降低。BaM掺入到LSMO中后,复合材料的磁性表现为硬磁性,电阻率急剧升高。这些结果表明硬磁BaM对软磁晶粒和自旋极化载流子具有强烈的钉扎作用。

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